KR102342026B1 - 나노복합체 포장 필름 - Google Patents

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마이클 제이. 펄크스
마크 엠. 므레지바
제임스 홍쉬에 왕
펭 첸
그레고리 제이. 와이드맨
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킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
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Abstract

포장재에 사용하기 위한 다층 나노복합체 필름이 제공된다. 더욱 구체적으로, 필름은 적어도 하나의 외부층에 인접하여 위치된 적어도 하나의 코어층을 함유한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 필름은 두 개의 외부층 사이에 위치되는 코어층을 함유한다. 코어층(들) 및/또는 외부층(들)은 에틸렌 중합체, 유기 표면 처리제를 갖는 나노클레이, 및 올레핀 성분 및 극성 성분을 함유하는 상용화제를 함유하는 중합체 조성물로 형성될 수도 있다.

Description

나노복합체 포장 필름{NANOCOMPOSITE PACKAGING FILM}
관련 출원
본 출원은, 미국 특허출원 제61/934,463호 (2014년 1월 31일 출원)에 대한 우선권을 주장하고, 상기 출원은 본원에 그것의 전체 내용이 참조로 원용된다.
본 발명은 나노복합체 포장 필름에 관한 것이다.
포장 필름은 주로 폴리에틸렌 등의 올레핀계 중합체로 형성되어 있다. 그러나, 최근에는, 석유 자원이 더욱 비싸져서, 제조사와 소비자 모두 포장 필름 제조의 전체 수명 사이클 동안 감소된 탄소 배출을 의미하는, 탄소 발자국(carbon footprint)을 더 적게 갖는 포장 필름에 대한 지속 필요성을 더욱 인식하고 있다. 재생 가능한 중합체와 같은 다양한 첨가제를 필름에 첨가해서 석유 유래 올레핀 중합체들의 함량을 감소시키는 시도가 이루어져 있지만, 이는 통상적으로 포장 재료의 제조업자와 사용자에게 매우 바람직하지 않은 일부 기계적 특성(예를 들면, 연성(ductility) 또는 인장 강도 등)에 있어서 이에 상응하는 감소를 초래한다. 이와 같이, 감소된 탄소 발자국 또는 감소된 석유계 중합체 소비로 표시되는 것과 같이 더욱 나은 환경적 영향을 갖지만, 고성능 포장 필름 응용예에 요구되는 우수한 기계적 특성 또한 여전히 나타낼 수 있는 필름에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 약 50μm 이하의 두께를 갖는 포장 필름이 개시된다. 필름은 외부층에 인접하여 위치되는 코어층을 함유하며, 여기서 상기 코어층, 상기 외부층, 또는 양쪽 모두는 중합체 조성물로부터 형성된다. 상기 중합체 조성물은 에틸렌 중합체 약 70중량% 내지 약 99중량%, 유기 표면 처리제를 갖는 나노클레이 약 0.1중량% 내지 약 20중량%, 및 올레핀 성분 및 극성 성분을 함유하는 폴리올레핀 상용화제 약 0.05중량% 내지 약 15중량%를 함유한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 약 50㎛ 이하의 두께를 갖는 포장 필름이 개시된다. 상기 필름은 제1 외부층 및 제2 외부층 사이에 위치되는 코어층을 함유하며, 여기서 상기 코어층은 필름의 약 50중량% 내지 약 99중량%을 구성하며 상기 외부층은 필름의 약 1중량% 내지 약 50중량%을 구성한다. 또한, 코어층, 제1 외부층, 제2 외부층, 또는 이들의 조합은 중합체 조성물로부터 형성된다. 상기 중합체 조성물은 에틸렌 중합체 약 70중량% 내지 약 99중량%, 유기 표면 처리제를 갖는 나노클레이 약 0.1중량% 내지 약 20중량%, 및 올레핀 성분 및 극성 성분을 함유하는 폴리올레핀 상용화제 약 0.05중량% 내지 약 15중량%를 함유한다.
본 발명의 다른 특징들과 측면들은 이하에서 더욱 상세히 설명한다.
통상의 기술자를 위한 본 발명의 최상의 모드를 포함한 본 발명의 모든 가능한 개시 내용을, 첨부 도면이 참조되는 명세서의 나머지 부분에서 더욱 구체적으로 기재한다.
도 1은 본 발명의 필름을 형성하기 위해 사용될 수 있는 공정의 일 실시예의 개략도이고;
도 2는 실시예 5에 대한 X-선 회절 그래프이고;
도 3은 실시예 5의 투과 전자 현미경 사진들로, 도 3a는 낮은 배율에 있고 (2㎛ 축척으로 도시됨) 도 3b는 높은 배율에 있고 (200nm 축척으로 도시됨);
도 4는 실시예 5의 샘플들에 대한 대수 저장 탄성률(logarithmic storage modulus) (G') 대 대수 주파수(γ)를 도시한 그래프이며;
도 5는 실시예 5의 샘플들에 대한 복소 점도(complex viscosity) η* 대 대수 주파수(γ)를 도시한 그래프이며;
도 6은 실시예 5의 샘플들에 대한 log G' (저장 탄성률) 및 log G'' (손실 탄성률) 대 대수 주파수(γ)를 도시한 그래프이며;
도 7은 장치 문이 개방된, 소음 수준을 평가하기 위해 사용될 수 있는 시험 장치의 사시도이고;
도 8은 장치 문이 닫힌, 도 7의 시험 장치의 사시도이고; 그리고
도 9는 화살표(190)를 따라 취한 도 7의 장치의 평면도이다.
본원에서의 참조 문자의 반복 사용은 본 발명의 동일 또는 유사한 특징부 또는 요소를 표현하고자 하는 것이다.
이하, 하나 이상의 예가 후술되어 있는 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 각각의 예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 설명을 위해서 제공된다. 실제로, 본 발명의 사상이나 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명에 있어서 다양한 수정과 변형을 행할 수 있다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예에 일부로서 예시하거나 설명하는 특징들을 다른 하나의 실시예에 사용하여 추가적인 실시예를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 수정과 변경을 커버하려는 것이다.
일반적으로 말하면, 본 발명은 포장재에 사용하기 위한 다층 나노복합체 필름에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 필름은 적어도 하나의 외부층에 인접하여 위치된 적어도 하나의 코어층을 함유한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 필름은 두 개의 외부층 사이에 위치되는 코어층을 함유한다. 본 발명에 따르면, 상기 코어층(들) 및/또는 외부층(들)은 에틸렌 중합체, 유기 표면 처리제를 갖는 나노클레이, 및 올레핀 성분 및 극성 성분을 함유하는 상용화제를 함유하는 중합체 조성물로 형성될 수도 있다. 나노클레이는 예를 들어, 통상적으로 중합체 조성물의 약 0.1중량% 내지 약 20중량%, 일부 실시예에서는 약 0.5중량% 내지 약 15중량%, 일부 실시예에서는 약 1중량% 내지 약 10중량%를 구성한다. 마찬가지로, 에틸렌 중합체는 중합체 조성물의 약 70중량% 내지 약 99중량%, 일부 실시예들에서는 약 75중량% 내지 약 98중량%, 일부 실시예들에서는 약 80중량% 내지 약 95중량%를 구성할 수도 있다. 상용화제는 중합체 조성물의 약 0.05중량% 내지 약 15중량%, 일부 실시예들에서는 약 0.1중량% 내지 약 12중량%, 일부 실시예들에서는 약 0.2중량% 내지 약 10중량%를 구성할 수도 있다.
중합체 조성물의 나노클레이의 사용으로 인해, 감소된 양의 에틸렌 중합체를 사용하므로 생성된 필름은 더 나은 환경적 영향을 가진다. 예를 들어, 필름은 작은 탄소 발자국을 가지며 에너지 입력 및 온실 가스 배출을 잠재적으로 줄일 수 있다. 특히, 본 발명자들은 필름이 기계적 특성을 희생하지 않고 이러한 개선된 환경적 영향을 얻을 수 있음을 발견하였다. 실제로, 많은 경우에, 놀랍게도 소정의 기계적 특성 (예를 들어, 피크 응력, 탄성계수 등)이 중합체의 사용이 실질적으로 감소되었을 때 조차도 크게 증가한다는 점이 발견되었다. 이러한 이점들은 부분적으로, 필름을 형성하는데 사용되는 구성성분의 특정 유형 및 농도 뿐만 아니라 형성되는 방식을 선택적으로 제어함으로써 부분적으로 달성된다. 예를 들면, 이론에 얽매이지 않으면서, 유기 표면 처리제는, 그 조성물에 신장력이 부여된 때에 나노클레이와 에틸렌 중합체의 도메인들 간의 표면 마찰도를 감소시킬 수 있는, 나노클레이에 대한 소성화 같은 효과를 가질 수 있다고 여겨진다. 또한, 표면 처리제는 에틸렌 중합체의 거대분자 사슬들이 분리되지 않으면서 나노클레이 표면을 따라 미끄러질 수 있게 하여, 높은 연성도를 유지할 수 있는 윤활 효과를 가질 수 있다고 여겨진다. 이는, 표면 처리제의 특정 유형, 에틸렌 중합체의 유형, 및 용융 압출 동안의 혼합 정도를 선택적으로 제어함으로써 달성될 수 있다. 또한, 나노클레이는 선택사항으로 에틸렌 중합체 및 상용화제와 사전 배합되어, 그 후에 압출 다이를 통과해서 필름으로 형성되는 중합체 조성물을 형성할 수 있다. 이러한 다단계 형성 공정을 통해, 나노클레이는 양호하게 분산되고 더욱 균일하게 배향되어, 연성을 더욱 더 향상시킬 수 있다. 소정 유형의 형성 공정(예를 들어, 캐스트 필름 또는 취입 필름 공정)은 또한 특히 높은 연성도를 갖는 고유한 구조체들의 형성을 허용하기에 매우 적합하다.
양호한 연성을 나타내는 하나의 파라미터는 기계 방향(“MD”) 및/또는 교차-기계 방향(“CD”)으로의 필름의 피크 신장율(peak elongation)이다. 예를 들면, 필름은 통상적으로 약 400% 이상, 일부 실시예에서는 약 500% 이상, 일부 실시예에서는 약 550% 이상, 일부 실시예에서는 약 600% 내지 약 2000%의 기계 방향으로의 피크 신장율을 나타낸다. 필름은 마찬가지로 약 750% 이상, 일부 실시예에서는 약 800% 이상, 일부 실시예에서는 약 800% 이상, 일부 실시예에서는 약 850% 내지 약 2500%의 교차-기계 방향으로의 피크 신장율을 나타낸다. 이러한 양호한 연성을 가짐에도 불구하고, 본 발명의 필름은 또한 양호한 기계 강도를 유지할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 필름은 약 20 내지 약 150 메가파스칼(MPa), 일부 실시예에서는 약 25 내지 약 100MPa, 일부 실시예에서는 약 30 내지 약 80MPa의 기계 방향 및/또는 교차-기계 방향으로의 궁극적인 인장 강도를 나타낼 수 있다. 인장 변형에 대한 인장 응력의 비와 같고 응력-변형 곡선의 기울기로부터 결정되는 필름의 영의 탄성계수(Young’s modulus of elasticity)도 또한 양호할 수 있다. 예를 들면, 필름은 통상적으로 약 50 내지 약 500MPa, 일부 실시예에서는 약 100 내지 약 400MPa, 일부 실시예에서는 약 150 내지 약 350MPa의 기계 방향 및/또는 교차-기계 방향으로의 영의 탄성계수를 나타낸다.
놀랍게도, 필름이 매우 얇은 두께를 갖는 경우이더라도 양호한 연성 및 다른 기계적 특성이 달성될 수 있다. 이와 관련하여, 특정 기계적 값(예, 영의 탄성계수, 인장 강도, 또는 피크 신장률)을 평균 필름 두께(μm)로 나눔으로써 결정되는, 정규화된 기계적 특성 또한 개선될 수도 있다. 예를 들면, 필름은 약 15%/μm 이상, 일부 실시예에서는 약 20%/μm 이상, 일부 실시예에서는 약 25%/μm 내지 약 60%/μm의 기계 방향으로의 정규화된 피크 신장율을 나타낸다. 필름은 마찬가지로 약 40%/μm 이상, 일부 실시예에서는 약 50%/μm 이상, 일부 실시예에서는 약 55%/μm 내지 약 80%/μm의 교차-기계 방향으로의 정규화된 피크 신장율을 나타낸다. 필름은 약 0.5 내지 약 20MPa/μm, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 12MPa/μm, 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 8MPa/μm의 기계 방향 및/또는 교차-기계 방향으로의 정규화된 궁극적인 인장 강도를 나타낼 수 있다. 기계 방향 및/또는 교차-기계 방향으로의 정규화된 영의 탄성계수는 약 5 내지 약 50MPa/μm, 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 40MPa/μm, 일부 실시예에서는 약 15 내지 약 35MPa/μm일 수도 있다. 필름의 실제 두께는 일반적으로 약 50μm 이하, 일부 실시예들에서는 약 1 내지 약 40μm, 일부 실시예들에서는 약 5 내지 약 35μm, 일부 실시예들에서는 약 10 내지 약 30μm일 수도 있다.
본 발명자들은 또한 필름이 물리적으로 변형되었을 때에 비교적 낮은 정도의 소음을 발생할 수 있음을 발견하였다. 2분 동안 물리적 변형을 받았을 때, 예를 들면, 필름의 소음 수준은, 예를 들어 2,000Hz 또는 4,000Hz의 주파수에서 결정한 바, 약 45데시벨(dB) 이하, 일부 실시예에서는 약 42dB 이하, 일부 실시예에서는 약 20dB 내지 약 40dB일 수 있다. 필름이 2분 동안 물리적 변형을 받는 동안에 발생되는 필름의 소음 수준을 주변 환경에 의해 발생된 소음 수준으로 나눔으로써 결정되는, 필름의 “정규화된 소음 수준”도 마찬가지로, 예를 들어 2,000Hz 또는 4,000Hz의 주파수에서 결정한 바, 약 2.5 이하, 일부 실시예에서는 약 2.4 이하, 일부 실시예에서는 약 1.5 내지 약 2.3일 수 있다. 감소된 소음 수준 이외에, 본 발명의 필름은 또한 산소 투과에 대한 우수한 배리어 특성도 가질 수 있다. 이론에 얽매이지 않으면서, 나노클레이 판상체 구조체는, 투과율을 늦출 수 있고 삼투하는 산소의 양을 감소시킬 수 있는, 꼬불꼬불한 경로를 필름 내에 생성할 수 있다고 여겨진다. 예를 들면, 산소 투과율은, 예를 들어 23℃의 온도 및 0%의 상대 습도에서 ASTM D3985-05에 따라 결정한 바, 약 350cm3/100in2*24시간 이하, 일부 실시예에서는 약 330cm3/100in2*24시간 이하, 일부 실시예에서는 약 100 내지 약 300cm3/100in2*24시간일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예를 이제 보다 상세하게 설명하기로 한다.
I. 중합체 조성물
A. 에틸렌 중합체
임의의 다양한 에틸렌 중합체가 일반적으로 본 발명에서 사용될 수도 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 에틸렌 중합체는 에틸렌과 α-올레핀, 예컨대 C3-C20 α-올레핀 또는 C3-C12 α-올레핀의 공중합체일 수도 있다. 적절한 α-올레핀은 선형이거나 분지형(예를 들어, 하나 이상의 C1-C3 알킬 분지, 또는 하나의 아릴기)일 수도 있다. 특정한 예로는, 1-부텐; 3-메틸-1-부텐; 3,3-디메틸-1-부텐; 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헥센; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헵텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-옥텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-노넨; 에틸, 메틸, 또는 디메틸-치환된 1-데센; 1-도데센; 및 스티렌이 있다. 특히 바람직한 α-올레핀 공단량체는 1-부텐, 1-헥센 및 1-옥텐이다. 그런 공중합체의 에틸렌 함량은 약 60 몰% 내지 약 99 몰%, 일부 실시예에서는 약 80 몰% 내지 약 98.5 몰% 및 일부 실시예에서는 약 87 몰% 내지 약 97.5 몰%일 수 있다. α-올레핀 함량은 마찬가지로 약 1 몰% 내지 약 40 몰%, 일부 실시예에서는 약 1.5 몰% 내지 약 15 몰% 및 일부 실시예에서는 약 2.5 몰% 내지 약 13 몰% 범위일 수 있다. 폴리에틸렌의 밀도는, 채택되는 중합체의 유형에 따라 가변될 수 있지만, 일반적으로, 약 0.85 내지 약 0.96g/cm3 범위이다. 예를 들어, 폴리에틸렌 "플라스토머(plastomer)"는 약 0.85 내지 약 0.91g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 마찬가지로, ASTM D792에 따라 결정된 바와 같이, "선형 저밀도 폴리에틸렌"("LLDPE")은 약 0.91 내지 약 0.940g/cm3의 밀도를 가질 수 있고; "저밀도 폴리에틸렌"("LDPE")은 약 0.910 내지 약 0.940g/cm3의 밀도를 가질 수 있고; "고밀도 폴리에틸렌"("HDPE")은 약 0.940 내지 약 0.960g/cm3의 밀도를 가질 수 있다.
소정의 실시예들에서, 약 0.94g/cm3 이하, 일부 실시예에서는, 약 0.85 내지 약 0.94g/cm3, 일부 실시예에서는 약 0.90 내지 약 0.935g/cm3의 비교적 낮은 밀도를 갖는 에틸렌 중합체가 사용될 수도 있다. 하나 이상의 중합체가 이러한 밀도 특성을 갖는 조성물에 사용될 수도 있다. 선형 저밀도 폴리에틸렌 ("LLDPE") 및/또는 저밀도 폴리에틸렌 ("LDPE")은 특히 적합하다. 저밀도 에틸렌 중합체는 상대적으로 낮은 용융 온도 및 탄성계수를 가지는데, 이는 생성된 필름에 비교적 부드럽고 연성 느낌을 제공할 수 있다. 예를 들어, ASTM D638-10에 따라 결정된 바와 같이, 저밀도 에틸렌 중합체는 약 50℃ 내지 약 145℃, 일부 실시예들에서는 약 75℃ 내지 약 140℃, 일부 실시예들에서는 약 100℃ 내지 약 135°의 용융 온도를 가질 수 있고, 약 50 내지 약 700MPa, 일부 실시예들에서는 약 75 내지 약 600MPa, 일부 실시예들에서는 약 100 내지 약 500MPa의 탄성계수를 가질 수도 있다. ASTM D1238-13 (또는 ISO 1133)에 따라 결정된 바와 같이, 2160g의 하중 및 190℃에서 결정되는 바와 같이, 저밀도 에틸렌 중합체는 또한 약 0.1 내지 약 100그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 0.5 내지 약 50그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 1 내지 약 40그램/10분의 용융 흐름 지수를 가질 수도 있다.
원하는 경우, 저밀도 에틸렌 중합체는 조성물에 사용된 중합체의 실질적으로 대부분을 구성할 수도 있다. 예를 들면, 저밀도 에틸렌 중합체는 조성물에 사용된 중합체의 약 80중량% 이상, 일부 실시예들에서는 약 85중량% 이상, 일부 실시예들에서는 약 90중량% 내지 100중량%를 구성할 수도 있다. 물론, 다른 실시예에서, 고밀도 에틸렌 중합체 또한 사용될 수도 있다. 예를 들면, 저밀도 에틸렌 중합체는 중합체 조성물의 약 5중량% 내지 90중량%, 일부 실시예들에서는 약 10중량% 내지 80중량%, 일부 실시예들에서는 약 20중량% 내지 70중량%를 구성할 수도 있으며, 고밀도 에틸렌 중합체는 중합체 조성물의 약 5중량% 내지 90중량%, 일부 실시예들에서는 약 10중량% 내지 80중량%, 일부 실시예들에서는 약 20중량% 내지 70중량%를 구성할 수도 있다. 고밀도 에틸렌 중합체는 일반적으로 약 0.94g/cm3 초과, 일부 실시예에서는, 약 0.945 내지 약 0.98g/cm3, 일부 실시예에서는 약 0.95 내지 약 0.97g/cm3의 밀도를 갖는다. 다시 한번, 하나 이상의 중합체가 이러한 특성을 갖는 조성물에 사용될 수도 있다. 고밀도 폴리에틸렌("HDPE")이 특히 적합하다. 고밀도 에틸렌 중합체는 비교적 낮은 용융 온도 및 높은 탄성계수를 가질 수도 있다. 예를 들어, ASTM D638-10에 따라 결정된 바와 같이, 고밀도 에틸렌 중합체는 약 70℃ 내지 약 160℃, 일부 실시예들에서는 약 85℃ 내지 약 150℃, 일부 실시예들에서는 약 110℃ 내지 약 145°의 용융 온도를 가질 수 있고, 약 700 내지 약 5,000MPa, 일부 실시예들에서는 약 750 내지 약 3,000MPa, 일부 실시예들에서는 약 1,000 내지 약 2,000MPa의 탄성계수를 가질 수도 있다. ASTM D1238-13 (또는 ISO 1133)에 따라 결정된 바와 같이, 2160g의 하중 및 190℃에서 결정되는 바, 고밀도 에틸렌 중합체는 또한 약 0.1 내지 약 100그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 0.5 내지 약 50그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 1 내지 약 40그램/10분의 용융 흐름 지수를 가질 수도 있다.
다양한 공지되어 있는 기법들이 일반적으로 에틸렌 중합체를 형성하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어 에틸렌 중합체는 유리 라디칼 또는 배위 촉매(예컨대 지글러-나타)를 사용하여 형성될 수 있다. 일반적으로, 에틸렌 중합체는 여러 자리 지글러-나타 촉매로부터 형성되고, 얻어진 에틸렌 중합체는 최대 20 또는 그 이상의 다중분산성 지수 (수 평균 분자량으로 나눈 중량 평균 분자량)를 가진 넓은 분자량 분포를 갖는다. 단일 자리 배위 촉매, 예컨대 메탈로센 촉매,에 의해 만든 에틸렌 중합체는, 좁은 분자량 분포를 갖는다. 그런 촉매 시스템은 공단량체가 분자 사슬 내에 무작위로 분포되고 상이한 분자량 단편들을 가로질러 균일하게 분포되는 에틸렌 중합체를 생산한다. 메탈로센-촉매된 폴리올레핀은 예를 들면 미국 특허 제5,571,619호(McAlpin 등); 제5,322,728호(Davis 등); 제5,472,775호(Obijeski 등); 제5,272,236호(Lai 등); 및 제6,090,325호(Wheat, 등)에 기술되어 있다. 메탈로센 촉매의 예시로는 비스(n-부틸사이클로펜타디에닐)티타늄 다이클로라이드, 비스(n-부틸사이클로펜타디에닐)지르코늄 다이클로라이드, 비스(사이클로펜타디에닐)스칸듐 클로라이드, 비스(인데닐)지르코늄 다이클로라이드, 비스(메틸사이크로펜타디에닐)티타늄 다이클로라이드, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)지르코늄 다이클로라이드, 코발토센, 사이클로펜타디에닐티타늄 트라이클로라이드, 페로센, 하프노센 다이클로라이드, 아이소프로필(사이클로펜타디에닐-1-플루오레닐)지르코늄 다이클로라이드, 몰리브도센 다이클로라이드, 니켈로센, 니오보센 다이클로라이드, 루테노센, 티타노센 다이클로라이드, 지르코노센 클로라이드 하이드라이드, 지르코노센 다이클로라이드 등. 메탈로센 촉매를 사용하여 만들어진 중합체는 전형적으로 좁은 분자량 범위를 가진다. 예를 들어 메탈로센-촉매된 중합체는 4 아래의 다중분산성 수(Mw/Mn), 조절된 짧은 사슬 분지화 분포 및 조절된 동일배열성을 가질 수 있다. 에틸렌 중합체는 겔 투과 크로마토그래피)를 사용하여 측정한 바와 같은, 단일 모드 또는 다중 모드 (예, 이중 모드) 분자량 분포를 가질 수도 있다.
B. 나노클레이
"나노클레이(nanoclay)"라는 용어는, 일반적으로, 클레이 물질(천연 발생 미네랄, 유기적으로 개질된 미네랄, 또는 합성 나노물질)의 나노입자를 가리킨다. 상기 클레이 물질은 일반적으로 상대적으로 평평하거나 판상체 형상을 가지고 있는 점에서 플레이크형 형태를 갖는다. 상기 클레이 판상체는 예를 들어, 약 0.2 내지 약 100nm, 일부 실시예들에서는 약 0.5 내지 약 50nm, 일부 실시예들에서는 약 1 내지 약 20nm의 평균 두께를 가질 수 있다. 클레이 물질의 "종횡비" (즉, 평균 두께로 나눈 판상체의 평균 길이) 또한 비교적 크며, 예컨대 약 20 내지 약 1000, 일부 실시예에서는 약 50 내지 약 80, 일부 실시예에서는 약 100 내지 약 400이다. 예를 들어, 평균 길이(예, 직경)는 약 20nm 내지 약 10μm, 일부 실시예들에선 약 100nm 내지 약 5μm, 일부 실시예들에선 약 200nm 내지 약 4μm일 수도 있다.
상기 클레이 물질은 스멕타이트 클레이 광물 등의 필로실리케이트 (예, 벤토나이트, 카올리나이트, 또는 몬트모릴로나이트뿐만 아니라, 이들의 염, 예컨대 나트륨 몬트모릴로나이트, 마그네슘 몬트모릴로나이트, 칼슘 몬트모릴로나이트 등); 논트로나이트(nontronite); 바이델라이트(beidellite); 볼콘스코이트(volkonskoite); 헥토라이트(hectorite); 사포나이트; 사우코나이트(sauconite); 소복카이트(sobockite); 스티븐사이트(stevensite); 스빈코르다이트(svinfordite); 베르미쿨라이트(vermiculite); 기타로부터 형성될 수 있다. 다른 유용한 나노클레이는 운모 광물 (예, 일라이트)와 혼합된 일라이트/스멕타이트 광물, 예컨대 렉토라이트(rectorite), 타로소바이트(tarosovite), 레디카이트(ledikite) 및 상기 명명한 클레이 광물들과 일라이트의 혼화물을 포함한다. 특히 적합한 것은 몬트모릴로나이트(2:1 계층 스멕타이트 클레이 구조), 벤토나이트(주로 몬트모릴로나이트로 형성된 알루미늄 필로실리케이트), 카올리나이트(1:1 판 구조 및 Al2Si2O5(OH)4라는 실험식을 갖는 알루미노실리케이트), 할로이사이트(1:1 관형 구조 및 Al2Si2O5(OH)4 등의 실험식을 갖는 알루미노실리케이트)이다.
전술한 바와 같이, 나노클레이는 또한 클레이 물질의 소수성을 강화하고, 에틸렌 중합체와의 상용성을 개선하는 유기 표면 처리제를 포함한다. 일 실시예에서, 유기 표면 처리제는 인접한 층상 클레이 판상체 사이의 층간 공간으로 이온 교환을 통해 삽입될 수도 있는, 사차 오늄 (예, 염 또는 이온)으로 형성될 수도 있다. 사차 오늄 이온은 다음의 구조를 가질 수도 있다:
Figure 112016083341505-pct00001
여기서,
X는 N, P, S, 또는 O이고; 그리고
R1, R2, R3 및 R4는 독립적으로 수소 또는 유기 부분, 예컨대 1 내지 약 24개의 탄소 원자를 가진 선형 또는 분지형 알킬, 아릴 또는 아르알킬이다.
특히 적합한 사차 암모늄 이온은 다음의 구조를 갖는 것들이다:
Figure 112016083341505-pct00002
여기서,
R1는 C6 내지 C24 범위의 장쇄 알킬 부분, C6, C8, C10, C12, C14, C16, C18, C20, C22 및 C24, 단독 또는 임의의 조합 등의 장쇄 부분의 혼합물을 포함하여 직선 또는 분지형 사슬이며; 그리고
R2, R3 및 R4은 H, 알킬, 하이드록시 알킬, 벤질, 치환된 벤질, 예를 들어 직선 또는 분지형 사슬 알킬-치환 또는 할로겐 치환; 에톡실화 또는 프로폭실화 알킬; 에톡실화 또는 프로폭실화 벤질 (예, 에톡실화 1-10 몰 또는 프로폭실화 1-10 몰)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 동일하거나 상이할 수 있는 부분이다.
추가 유용한 다전하 스페이싱/커플링제로는, 예를 들면, 테트라-, 트리-, 및 디-오늄 종, 예컨대 테트라-암모늄, 트리-암모늄, 및 디-암모늄 (1차, 2차, 3차, 4차), 지방족, 방향족 또는 아릴지방족 아민, 포스핀, 에스테르, 알콜 및 황화물의 -포스포늄, -옥소늄, 또는, -술포늄 유도체가 있다. 이러한 물질들의 예시는 하기 식의 디-오늄 화합물이다:
R1-X+-R-Y+
여기서, X+ 및 Y+는 동일하거나 상이하고, 암모늄, 술포늄, 포스포늄, 또는 옥소늄 라디칼, 예컨대 -NH(CH3)2 +, -NH2(CH3)+, -N(CH3)3 +, -N(CH3)2(CH2CH3)+, -N(CH3)(CH2CH3)2 +, -S(CH3)2 +, -S(CH3)2 +, -P(CH3)3 +, -NH3 +, 등이며;
R은 유기 스페이싱, 골격 라디칼, 직선 또는 분지형, 예컨대 그 말단에서 대전된 N+, P+, S+ 및/또는 O+양이온에 공유 결합된 골격 유기 스페이싱 분자 내에, 2 내지 24개 탄소 원자, 일부 실시예에서 3 내지 10개 탄소 원자를 가지는 것이며;
R1은 수소, 또는 1 내지 22개의 탄소 원자, 일부 실시예에서는, 6 내지 22개의 탄소 원자의 선형 또는 분지형 알킬 라디칼, 선형 또는 분지형일 수 있다.
유용한 R 기의 예시로는 알킬 (예, 메틸, 에틸, 부틸, 옥틸 등); 아릴 (예, 벤질, 페닐알킬 등); 알킬렌 (예, 메틸렌, 에틸렌, 옥틸렌, 노닐렌, 삼차-부틸, 네오펜틸렌, 이소프로필렌, 이차-부틸렌, 도데실렌 등); 알케닐렌 (예, 1-프로페닐렌, 1-부테닐렌, 1-펜테닐렌, 1-헥세닐렌, 1-헵테닐렌, 1-옥테닐렌 등); 사이클로알케닐렌 (예, 사이클로헥세닐렌, 사이클로펜테닐렌 등); 하이드록시알킬 (예, 하이드록시메틸, 하이드록시에틸, 하이드록시-n-프로필, 하이드록시이소프로필, 하이드록시-n-부틸, 하이드록시-이소-부틸, 하이드록시-삼차-부틸 등), 알카노일알킬렌 (예, 부타노일 옥타데실렌, 펜타노일 노나데실렌, 옥타노일 펜타데실렌, 에타노일 운데실렌, 프로파노일 헥사데실렌 등); 알킬아미노알킬렌 (예, 메틸아미노 옥타데실렌, 에틸아미노 펜타데실렌, 부틸아미노 노나데실렌 등); 디알킬아미노알킬렌 (예, 디메틸아미노 옥타데실렌, 메틸에틸아미노 노나데실렌 등); 아릴아미노알킬렌 (예, 페닐아미노 옥타데실렌, p-메틸페닐아미노 노나데실렌 등); 디아릴아미노알킬렌 (예, 디페닐아미노 펜타데실렌, p-니트로페닐-p'-메틸페닐아미노 옥타데실렌 등); 알킬아릴아미노알킬렌 (예, 2-페닐-4-메틸아미노 펜타데실렌 등); 알킬설피닐렌, 알킬술포닐렌, 알킬티오, 아릴티오, 아릴설피닐렌 및 아릴술포닐렌 (예, 부틸티오 옥타데실렌, 네오펜틸티오 펜타데실렌, 메틸설피닐노나데실렌, 벤질설피닐 펜타데실렌, 페닐설피닐 옥타데실렌, 프로필티오옥타데실렌, 옥틸티오 펜타데실렌, 노닐술포닐 노나데실렌, 옥틸술포닐 헥사데실렌, 메틸티오 노나데실렌, 이소프로필티오 옥타데실렌, 페닐술포닐 펜타데실렌, 메틸술포닐 노나데실렌, 노닐티오 펜타데실렌, 페닐티오 옥타데실렌, 에틸티오 노나데실렌, 벤질티오 운데실렌, 펜에틸티오 펜타데실렌, 이차-부틸티오 옥타데실렌, 나프틸티오 운데실렌 등); 알콕시카르보닐알킬렌 (예, 메톡시카르보닐렌, 에톡시카르보닐렌, 부톡시카르보닐렌, 등); 사이클로알킬렌 (예, 사이클로헥실렌, 사이클로펜틸렌, 사이클로옥틸렌, 사이클로헵틸렌 등); 알콕시알킬렌 (예, 메톡시메틸렌, 에톡시메틸렌, 부톡시메틸렌, 프로폭시에틸렌, 펜톡시부틸렌 등); 아릴록시알킬렌 및 아릴록시아릴렌 (예, 페녹시페닐렌, 페녹시메틸렌 등); 아릴록시알킬렌 (예, 페녹시데실렌, 페녹시옥틸렌 등); 아릴알킬렌 (예, 벤질렌, 펜틸렌, 8-페닐옥틸렌, 10-페닐데실렌 등); 알킬아릴렌 (예, 3-데실페닐렌, 4-옥틸페닐렌, 4-노닐페닐렌 등); 및 프로필렌 글리콜 및 폴리에틸렌 글리콜 치환체 (예, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 페닐렌, 벤질렌, 톨릴렌, p-스티릴렌, p-페닐메틸렌, 옥틸렌, 도데실렌, 옥타데실렌, 메톡시에틸렌 등), 뿐만 아니라 이들의 조합이다. 이러한 테트라-, 트리-, 및 디-암모늄, -술포늄, -포스포늄, -옥소늄; 암모늄/술포늄; 암모늄/포스포늄; 암모늄/옥소늄; 포스포늄/옥소늄; 술포늄/옥소늄; 및 술포늄/포스포늄 라디칼은 당 업계에 주지되어 있으며, 대응하는 아민, 포스핀, 알콜 또는 에테르 및 황화물로부터 유도될 수 있다.
특히 적합한 다전하 스페이싱/커플링제 화합물은 하기 화학식을 갖는 적어도 두 개의 1차, 2차, 3차 또는 4차 암모늄, 포스포늄, 술포늄 및/또는 옥소늄 이온을 포함하는 다중-오늄 이온 화합물이다:
Figure 112016083341505-pct00003
여기서,
R은 알킬렌, 아르알킬렌 또는 치환된 알킬렌 대전된 원자 스페이싱 부분이고; 그리고
Z1, Z2, R1, R2, R3, 및 R4는 동일하거나 상이할 수도 있으며, 수소, 알킬, 아르알킬, 벤질, 치환된 벤질 (예, 예를 들어 직선 또는 분지형 사슬 알킬-치환 또는 할로겐 치환); 에톡실화 또는 프로폭실화 알킬; 에톡실화 또는 프로폭실화 벤질 (예, 에톡실화의 1-10 몰 또는 프로폭실화 1-10 몰)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수도 있다.
특히 적절한 유기 양이온은, 예를 들어, 사차 암모늄 화합물, 예컨대, 디메틸 비스[수소화 우지] 암모늄 클로라이드(2M2HT), 메틸 벤질 비스[수소화 우지] 암모늄 클로라이드(MB2HT), 메틸 트리스[수소화 우지 알킬] 클로라이드(M3HT) 등을 포함할 수 있다. 적합한 나노클레이의 예는 사차 암모늄 개질된 몬트모릴로나이트 나노클레이 및 Nanocor, Inc.에서 시판되고 있는, Nanomer™ 1.44P이다. 다른 적합한 나노클레이 첨가제는 Southern Clay Products에서 입수가능한 것들, 예컨대 Cloisite™ 15A, Cloisite™ 30B, Cloisite™ 93A, 및 Cloisite™ Na+을 포함한다.
오늄 이온은 여러 가지 방법으로 클레이 물질의 층간 공간으로 도입(내부에 흡착)될 수도 있다. 한 방법에서, 예를 들면, 클레이 물질은 물에 슬러리화되고, 오늄 이온 화합물을 그 안에 용해한다. 필요한 경우, 오늄 이온 화합물은 유기 용매(예, 프로판올)에 먼저 용해시킬 수 있다. 원하는 경우, 나노클레이는 당해 분야에 공지된 올리고머 및/또는 중합체 삽입물과 삽입될 수도 있다. 예를 들어, 올레핀 중합체 또는 올리고머 (예, 에틸렌 중합체) 삽입물이 사용될 수도 있다. 인접하는 필로실리케이트 판상체들 사이에 오늄 이온 및 올레핀 삽입물을 삽입시키고 선택적으로 층상 물질을 개별 판상체들 내로 분리 (박리)하기 위해, 예를 들면, 클레이 물질은 오늄 이온과 먼저 접촉될 수도 있으며, 동시에 또는 그 후에 오늄 이온-삽입 층상 물질에 대한 용융된 올리고머/중합체 삽입물과 접촉될 수도 있다. 이것은 예를 들어, 압출기에서 물질을 직접 배합함으로써 수행될 수도 있다. 대안적으로, 올리고머/중합체는 격렬하게 유화제와 혼합하여 유화 공정에 의해 삽입될 수 있다. 원하는 경우, 커플링제 (예컨대, 실란 커플링제)도 클레이 물질과 삽입물을 결합시키는 것을 돕기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 클레이 물질은 초기에 커플링제로 처리될 수도 있으며, 올리고머(들) 또는 중합체(들)의 삽입 이전 또는 동시에 클레이 물질 사이의 오늄 이온의 이온 교환이 뒤따른다. 미국 특허 번호 제5,880,197호 및 제5,877,248호에 기재한 바와 같이 올리고머 또는 중합체 삽입물(들)은 쌍극자/쌍극자 결합 (올리고머 또는 중합체의 직접 삽입) 등의 다른 주지된 기구에 의해서 뿐만 아니라, 미국 특허 제5,102,948호 및 제5,853,886호에 기재된 바와 같이 수소 치환에 의한 산성화 (산 또는 이온 교환 수지를 이용하여 수소와 층간 양이온 이온 교환)에 의해 사이에 삽입될 수도 있으며 내부 판상체 면에 복합체화 될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
C. 상용화제
상용화제는 올레핀 성분 및 극성 성분을 함유하는 폴리올레핀을 포함한다. 올레핀 성분은 비극성이며, 따라서 일반적으로 에틸렌 중합체에 대해 친화성을 갖는다. 올레핀 성분은, 일반적으로, 임의의 선형 또는 분지형 α-올레핀 단량체, 올리고머, 또는 α-올레핀 단량체로부터 유도되는 (공중합체를 포함하는) 중합체로부터 형성될 수 있다. 구체적인 일 실시예에서, 예를 들어, 상용화제는 적어도 하나의 선형 또는 분지형 α-올레핀 단량체를 포함하며, 예컨대, 2 내지 20개의 탄소 원자, 바람직하게는 2 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 것을 포함한다. 구체적인 예는, 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐; 3-메틸-1-부텐; 3,3-디메틸-1-부텐; 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헥센; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헵텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-옥텐; 하나 이상의 메틸, 에틸, 또는 프로필 치환기를 갖는 1-노넨; 에틸, 메틸 또는 디메틸-치환된 1-데센; 1-도데센; 및 스티렌을 포함한다. 특히 바람직한 α-올레핀 공단량체는 에틸렌 및 프로필렌이다.
폴리올레핀 상용화제는 중합체 중합체 상에 그래프트, (예, 블록 또는 랜덤 공중합체) 등의 단량체 성분으로 혼입될 수 있는, 극성 성분과 관능화된다. 중합체 골격 상에 그래프트될 때, 특히 적절한 극성 기는, 말레 무수물, 말레산, 아크릴산, 메타크릴산, 푸마르산, 말레이미드, 말레산 하이드라지드, 말레산 무수물과 디아민의 반응 산물, 메틸나딕 무수물, 디클로로말레산 무수물, 말레산 아미드 등이다. 말레산 무수물 개질된 폴리올레핀이 본 발명에서 사용하는 데 특히 적절하다. 이러한 개질된 폴리올레핀은, 통상적으로, 말레산 무수물을 중합체 골격 물질 상에 그래프트함으로써 형성된다. 이러한 말레산화 폴리올레핀은, E. I. du Pont de Nemours and Company에 의해 FUSABOND®라는 상품명으로 시판되고 있으며, 예를 들어, P 시리즈(화학적 개질된 폴리프로필렌), E 시리즈(화학적 개질된 폴리에틸렌), C 시리즈(화학적 개질된 에틸렌 비닐 아세테이트), A 시리즈(화학적 개질된 에틸렌 아크릴레이트 공중합체 또는 테르중합체), 또는 M 시리즈(화학적 개질된 폴리에틸렌), 또는 N 시리즈(화학적 개질된 에틸렌-프로필렌, 에틸렌-프로필렌 디엔 단량체("EPDM") 또는 에틸렌-옥텐)이 있다. 대안적으로, 개질된 폴리올레핀도, Chemtura Corp.에 의해 POLYBOND® (예, 아크릴산-개질된 폴리프로필렌)라는 상품명으로 그리고 Eastman Chemical Company에 의해 Eastman G series라는 상품명으로 시판되고 있다.
전술한 바와 같이, 극성 성분은 단량체로서 폴리올레핀 상용화제에 혼입될 수 있다. 예를 들어, (메타)크릴계 단량체 성분은 특정 실시예에 사용될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "(메타)크릴"이라는 용어는, 아크릴 및 메타크릴 단량체, 뿐만 아니라 이들의 염 또는 에스테르, 예컨대, 아크릴레이트와 메타크릴레이트 단량체를 포함한다. 이러한 (메타)크릴 단량체의 예는, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, n-프로필 아크릴레이트, i-프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, s-부틸 아크릴레이트, i-부틸 아크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, n-아밀 아크릴레이트, i-아밀 아크릴레이트, 이소보르닐 아크릴레이트, n-헥실 아크릴레이트, 2-에틸부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, n-옥틸 아크릴레이트, n-데실 아크릴레이트, 메틸시클로헥실 아크릴레이트, 시클로펜틸 아크릴레이트, 시클로헥실 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, n-프로필 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, i-프로필 메타크릴레이트, i-부틸 메타크릴레이트, n-아밀 메타크릴레이트, n-헥실 메타크릴레이트, i-아밀 메타크릴레이트, s-부틸-메타크릴레이트, t-부틸 메타크릴레이트, 2-에틸부틸 메타크릴레이트, 메틸시클로헥실 메타크릴레이트, 시나밀 메타크릴레이트, 크로틸 메타크릴레이트, 시클로헥실 메타크릴레이트, 시클로펜틸 메타크릴레이트, 2-에톡시에틸 메타크릴레이트, 이소보르닐 메타크릴레이트 등, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 극성 단량체의 다른 형태는 에스테르 단량체, 아미드 단량체 등을 포함한다.
D. 다른 성분들
상기한 성분들 이외에, 다른 첨가제들, 예컨대 슬립 첨가제, 용융 안정화제, 공정 안정화제, 열 안정화제, 광 안정화제, 산화 방지제, 열 노화 안정화제, 미백제, 결합제, 충전제 등도 또한 본 발명의 필름 내에 포함될 수도 있다. 또한, 힌더드 페놀은 필름의 제조시 산화 방지제로서 흔히 사용된다. 일부 적절한 힌더드 페놀은, Irganox® 1076, 1010, 또는 E 201 등의 "Irganox®"라는 상표명으로 Ciba Specialty Chemicals로부터 입수가능한 것을 포함한다. 또한, 결합제를 필름에 첨가하여 필름을 추가 재료(예를 들어, 부직포 웹)에 접합하는 것을 용이하게 할 수 있다. 이러한 결합제의 예로는, 수소화된 탄화수소 수지를 포함한다. 다른 적절한 결합제는 Kieffer 등의 미국 특허 번호 제4,789,699호 및 McCormack의 제5,695,868호에 설명되어 있다.
II. 필름 구성
본 발명의 필름은 임의의 층 수, 예컨대 2개 내지 20개의 층, 일부 실시예에서는 3개 내지 10개의 층을 가질 수 있다. 총 수에 상관없이, 필름은 일반적으로 적어도 하나의 외부층에 인접하여 위치되는 적어도 하나의 코어층을 포함한다. 일 실시예에서는, 예를 들면, 코어층을 사이에 두는 제1 및 제2 외부층을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 코어층(들)은 통상적으로 필름의 중량의 상당 부분, 예를 들면, 필름의 약 50중량% 내지 약 99중량%, 일부 실시예에서는 약 55중량% 내지 약 90중량%, 일부 실시예에서는 약 60중량% 내지 약 85중량%를 구성한다. 외부층(들)은 마찬가지로 필름의 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 일부 실시예에서는 약 10 중량% 내지 약 45 중량%, 일부 실시예에서는 약 15 중량% 내지 약 40중량%를 구성할 수 있다. 각 외부층은 또한 약 0.1 내지 약 10μm, 일부 실시예에서는 약 0.5 내지 약 5μm, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 2.5μm의 두께를 가질 수 있다. 마찬가지로, 코어층은 약 1 내지 약 40μm, 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 25μm, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 20μm의 두께를 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 필름의 총 두께는 일반적으로 약 50μm 이하, 일부 실시예들에서는 약 1 내지 약 40μm, 일부 실시예들에서는 약 5 내지 약 35μm, 일부 실시예들에서는 약 10 내지 약 30μm이다.
본 발명의 중합체 조성물은 코어층 및/또는 외부층을 포함하는, 필름의 임의의 층에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들면, 코어층은 본 발명의 중합체 조성물로부터 형성되고, 외부층(들)은 상기 중합체 조성물로부터 또는 추가 중합체 물질로부터 형성된다. 마찬가지로, 다른 가능한 실시예에서, 하나 이상의 외부층은 본 발명의 중합체 조성물로부터 형성되며, 코어층은 추가 중합체 물질로부터 형성된다. 추가 물질이 사용된 경우, 추가 물질은 임의의 타입의 중합체, 예를 들어 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 폴리에스테르, 폴리아미드, 스티렌 공중합체, 폴리우레탄, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올 등을 포함할 수 있다. 공급시, 나노클레이는 자체가 마스터배치의 형태로 된 것일 수도 있으며, 중합체 (예, 에틸렌 중합체)와 배합된 나노클레이 입자를 함유할 수도 있다. 대안적으로, 상기 나노클레이는 전술한 바와 같이 입자를 함유하는 분말 형태 일 수도 있다.
본 발명의 하나의 이점은 중합체 조성물의 특정 구성성분들이 필름의 다양한 층에 사용될 때 다른 특성을 달성하도록 맞춰질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 외부층은 종종 열 밀봉 또는 인쇄를 위해 사용된다. 이러한 점에서, 외부층에 사용되는 경우에, 상기 중합체 조성물은 중합체 조성물의 약 0.1중량% 내지 약 15중량%, 일부 실시예에서 약 0.5중량% 내지 약 10중량%, 일부 실시예에서 약 1중량% 내지 약 8중량%와 같은, 비교적 적은 양의 나노클레이를 사용할 수도 있다. 외부층을 형성하는 데 사용되는 중합체 조성물은 또한 약 0.94g/cm3 이하, 일부 실시예에서는, 약 0.85 내지 약 0.94g/cm3, 일부 실시예에서는 약 0.90 내지 약 0.935g/cm3와 같은, 비교적 낮은 밀도를 갖는 에틸렌 중합체를 사용할 수도 있다. 하나 이상의 중합체가 이러한 밀도 특성을 갖는 조성물에 사용될 수도 있다. 상술한 바와 같이 선택사항으로 메탈로센 촉매화될 수도 있는, 선형 저밀도 폴리에틸렌("LLDPE") 및/또는 저밀도 폴리에틸렌("LDPE")이 특히 적합하다. 마찬가지로 다른 적절한 에틸렌 중합체는 에틸렌 비닐 아세테이트 ("EVA") 또는 에틸렌 아크릴산 ("EAA") 같은 공중합체를 포함할 수도 있다. 이러한 에틸렌 중합체는 통상적으로 비교적 낮은 용융 온도와 탄성계수를 가지며, 이는 그것들이 보다 용이하게 가열 밀봉재 또는 필름의 인쇄가능 층 역할을 할 수 있도록 한다. 예를 들어, ASTM D638-10에 따라 결정된 바와 같이, 에틸렌 중합체는 약 50℃ 내지 약 145℃, 일부 실시예들에서는 약 75℃ 내지 약 140℃, 일부 실시예들에서는 약 100℃ 내지 약 135℃의 용융 온도를 가질 수 있고, 약 50 내지 약 700MPa, 일부 실시예들에서는 약 75 내지 약 600MPa, 일부 실시예들에서는 약 100 내지 약 500MPa의 탄성 계수를 가질 수도 있다. ASTM D1238-13 (또는 ISO 1133)에 따라 결정된 바와 같이, 2160g의 하중 및 190℃에서 결정되는 바, 에틸렌 중합체는 또한 약 1 내지 약 100그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 5 내지 약 50그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 10 내지 약 40그램/10분의 용융 흐름 지수를 가질 수도 있다.
필름의 강도 및 강성을 개선하기 위해 종종 사용되는, 코어층에 사용되는 경우, 중합체 조성물은 중합체 조성물의 약 0.5중량% 내지 약 20중량%, 일부 실시예에서 약 1중량% 내지 약 15중량%, 일부 실시예에서 약 2중량% 내지 약 10중량%와 같은, 비교적 높은 양의 나노클레이를 사용할 수도 있다. 중합체 조성물은 LLDPE, LDPE, 메탈로센 LLDPE, 메탈로센 LDPE, EVA 등 뿐만 아니라 이들 중합체의 배합물과 같은, 에틸렌 중합체를 함유할 수도 있다. 중합체 조성물은 또한 약 0.94g/cm3 초과, 일부 실시예에서는, 약 0.945 내지 약 0.98g/cm3, 일부 실시예에서는 약 0.95 내지 약 0.97g/cm3와 같은, 비교적 높은 밀도를 갖는 에틸렌 중합체를 함유할 수도 있다. 다시 한번, 하나 이상의 중합체가 이러한 특성을 갖는 조성물에 사용될 수도 있다. 고밀도 폴리에틸렌("HDPE")이 특히 적합하다. 예를 들면, 코어층 내의 HDPE의 양은 약 1중량% 내지 95중량%, 일부 실시예들에서는 약 5중량% 내지 90중량%, 일부 실시예들에서는 약 10중량% 내지 85중량% 범위일 수도 있다. 이러한 고밀도 에틸렌 중합체는 통상적으로 비교적 높은 용융 온도와 탄성계수를 가지며, 이는 그것들이 보다 용이하게 필름의 강도 강화 층 역할을 할 수 있도록 한다. 예를 들어, ASTM D638-10에 따라 결정된 바와 같이, 에틸렌 중합체는 약 70℃ 내지 약 160℃, 일부 실시예들에서는 약 85℃ 내지 약 150℃, 일부 실시예들에서는 약 110℃ 내지 약 145°의 용융 온도를 가질 수 있고, 약 700 내지 약 5,000MPa, 일부 실시예들에서는 약 750 내지 약 3,000MPa, 일부 실시예들에서는 약 1,000 내지 약 2,000MPa의 탄성 계수를 가질 수도 있다. ASTM D1238-13 (또는 ISO 1133)에 따라 결정된 바와 같이, 2160g의 하중 및 190℃에서 결정되는 바, 에틸렌 중합체는 또한 약 0.1 내지 약 100그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 0.5 내지 약 50그램/10분, 일부 실시예들에서는 약 1 내지 약 40그램/10분의 용융 흐름 지수를 가질 수도 있다.
다층 필름은, 층들의 공동 압출, 압출 코팅, 또는 종래의 임의의 레이어링 공정에 의해 준비될 수 있다. 다양한 기술 중 어느 하나가 일반적으로 본 발명의 필름을 형성하는 데에 이용될 수 있다. 소정의 실시예에서, 예를 들면, 필름의 구성요소들(예를 들어, 에틸렌 중합체, 나노클레이, 상용화제 등)은 개별적으로 필름 형성 시스템에 공급될 수 있고 필름이 형성될 때에 함께 배합될 수 있다. 이러한 경우에서, 나노클레이는, 예를 들어 상술한 바와 같이, 입자들을 함유하는 분말 형태일 수 있다. 그러나, 대안적으로, 에틸렌 중합체, 나노클레이 및/또는 상용화제를 사전 배합하여, 차후에 필름 형성 시스템에 공급되는 마스터배치(masterbatch)를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이론에 얽매이지 않으면서, 이러한 다단계 공정은 나노클레이가 더욱 균일하게 배향될 수 있게 하여, 연성을 더욱 더 향상시킬 수 있다고 여겨진다. 공급되었을 때, 나노클레이는 그 자체가 중합체(예를 들어, 에틸렌 중합체)와 배합된 나노클레이 입자들을 함유할 수 있는 마스터배치 형태, 또는 입자들을 함유하는 분말 형태일 수 있다.
마스터배치를 형성하기 위해서, 예를 들면, 구성성분들은 처음에, 가열될 수 있는 배럴(예를 들어, 원통형 배럴) 내부에 회전가능하게 장착되고 수용된 공동 회전식 스크류들을 포함하는 트윈 스크류 압출기(twin screw extruder)에 공급될 수 있다. 상기 구성요소들은 스크류들의 회전에 의해 인가된 힘에 의해 공급 말단으로부터 배출 말단으로 하류로 이동될 수 있다. 스크류들의 외부 직경에 대한 길이의 비(“L/D”)는 처리량과 배합 균일성 간의 최적 균형을 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, L/D값이 너무 크면, 나노클레이가 원하는 수준을 넘어서 열화할 정도까지 보유 시간을 증가시킬 수 있다. 한편, L/D값이 너무 낮으면, 원하는 정도의 배합 또는 혼합으로 될 수 없다. 따라서, L/D값은 통상적으로 약 25 내지 약 60, 일부 실시예에서는 약 35 내지 약 55, 일부 실시예에서는 약 40 내지 약 50일 수 있다. 스크류들의 속도는 또한 원하는 체류 시간, 전단 속도, 용융 처리 온도 등을 달성하도록 선택될 수도 있다. 일반적으로, 생성물 온도의 증가는 시스템 안으로의 추가의 기계 에너지 유입으로 인한 스크류 속도가 증가하면서 관찰된다. 마찰 에너지는 압출기 내부의 물질들 상에 터닝 스크류에 의해 인가된 전단력으로부터 초래되고, 큰 분자의 파열을 초래한다. 이는, 겉보기 점도를 저하시키게 하고 완성된 물질의 용융 유량을 증기시키게 한다. 예를 들어 스크류 속도는 약 50 내지 약 400rpm일 수 있고, 일부 실시예에서 약 100 내지 약 300rpm, 및 일부 실시예에서는 약 120 내지 약 280rpm일 수 있다. 그 결과, 용융 가공은 약 100℃ 내지 약 500℃, 일부 실시예에서는 약 150℃ 내지 약 350℃, 일부 실시예에서는 150℃ 내지 약 300℃에서 일어날 수도 있다. 마찬가지로 용융 공정 중에 외관상 전단속도는 약 300 초-1 내지 약 10,000 초-1의 범위, 일부 실시예에서는 약 500 초-1 내지 약 5000 초-1, 및 일부 실시예에서는 약 800 초-1 내지 약 1200 초-1의 범위일 수 있다. 겉보기 전단 속도는 4Q/ πR 3 과 동일하며, 여기서 Q는 중합체 용융의 부피 유속("m3/s ")이며, R은 용융된 중합체가 흐르는 모세관(예, 압출기 다이)의 반경("m")이다. 물론 다른 변수, 예컨대 작업처리율과 역비례하는, 용융 가공 중의 체류 시간도 또한 원하는 배합을 이루기 위해 조절될 수 있다.
형성되면, 사전 배합된 마스터배치는 필름 형성 시스템에 공급될 수도 있다. 취입, 캐스팅, 플랫 다이 압출 등을 비롯한, 공지된 임의의 기술을 이용하여 배합된 물질로부터 필름을 형성할 수 있다. 구체적인 일 측면에서, 필름은, 압출된 중합체 배합물의 기포를 환형 다이를 통해 팽창시키도록 기체(예, 공기)가 사용되는 취입 공정에 의해 형성될 수 있다. 그런 다음, 기포가 붕괴되어 평평한 필름 형태로 모아진다. 취입 필름을 제조하기 위한 공정은, 예를 들면 Raley에 의한 미국 특허 제3,354,506호; Schippers에 의한 미국 특허 제3,650,649호; 및 Schrenk 등에 의한 미국 특허 제3,801,429호 뿐만 아니라, McCormack 등에 의한 미국 특허 출원 공개 제2005/0245162호 및 Boggs 등에 의한 미국 특허 출원 공개 제2003/0068951호에 설명되어 있다. 그러나, 또 다른 실시예에서는, 필름이 캐스팅 기술을 사용하여 형성된다.
도 1을 참조하면, 예를 들면, 캐스트 필름을 형성하기 위한 방법의 일 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 사전 배합된 마스터배치가 용융 처리를 위해 압출기(80)에 공급된다. 나노클레이의 양호한 정렬 및 배향을 달성하는 것을 보조하기 위해서는, 통상적으로 필름 형성 동안에 단일 스크류 압출기(single screw extruder)를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 단일 스크류 압출기는 통상적으로 스크류의 길이를 따라 3개의 부분으로 분할된다. 제1 부분은 고체 물질이 스크류에 도입되는 공급부이다. 제2 부분은 대부분의 고체 용융이 일어나는 용용부이다. 이 부분 내에서, 스크류가 일반적으로 테이퍼형 직경을 갖고 있어 중합체의 용융을 향상시킨다. 제3 부분은 용융된 물질을 일정한 양의 압출로 전달하는 혼합부이다. 스크류에 대한 L/D 비는 통상적으로 약 5 내지 약 50, 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 40, 일부 실시예에서는 약 15 내지 약 35이다. 이러한 L/D 비는 스크류의 길이의 작은 부분만을 구성하는 혼합부(들)를 사용함으로써 단일 스크류 압출기에서 쉽게 달성될 수 있다. 마찬가지로 스크류 속도는 약 5 내지 약 150rpm일 수 있고, 일부 실시예에서 약 10 내지 약 100rpm, 및 일부 실시예에서는 약 20 내지 약 80rpm일 수 있다. 그 결과, 용융 가공은 약 100℃ 내지 약 500℃, 일부 실시예에서는 약 150℃ 내지 약 350℃, 일부 실시예에서는 150℃ 내지 약 300℃에서 일어날 수도 있다.
형성되면, 압출된 물질은 즉시 냉각되고 펠릿 형태로 절단될 수도 있다. 도 1의 실시예에서, 압출된 물질은 캐스트 롤(90) 상에 캐스트되어서 단일 층 전구체 필름(10a)을 형성하게 된다. 다중층 필름이 제조될 경우에는, 다수의 층이 캐스팅 롤(90) 상에서 함께 공압출된다(co-extruded). 캐스팅 롤(90)에는 선택적으로 엠보싱 요소가 제공되어 필름에 패턴을 부여할 수 있다. 통상적으로, 캐스팅 롤(90)은 시트(10a)가 형성될 때에 이 시트를 고화시키고 켄칭(quench)시키기에 충분한 온도, 예를 들면 약 20 내지 60℃의 온도로 유지된다. 필요에 따라, 진공 박스가 캐스팅 롤(90)에 인접하게 위치해서 전구체 필름(10a)을 롤(90)의 표면에 가깝게 유지하는 것을 도울 수 있다. 또한, 전구체 필름(10a)이 방적 롤 주위를 이동할 때에 에어 나이프(air knife) 또는 정전기 피너(electrostatic pinner)가 캐스팅 롤(90)의 표면에 대하여 전구체 필름(10a)을 강제시키는 것을 도울 수 있다. 에어 나이프는 매우 높은 유속으로 기류를 집중시켜서 필름의 에지들을 고정하는 당 기술분야에 공지된 장치이다.
일단 캐스팅되면, 그 다음에 필름(10a)이 선택적으로 하나 이상의 방향으로 배향되어 필름 균일성을 더욱 향상시키고 두께를 줄일 수 있다. 순차 배향의 경우, “연화된(softened)” 필름이 상이한 회전 속도로 회전하는 롤들에 의해 연신되어 시트가 길이 방향(기계 방향)으로 원하는 연신 비율로 신축된다. 원하는 경우, 단일 스크류 배향된 필름은 또한 교차-기계 방향으로 배향되어 “트윈 스크류 배향된(biaxially oriented)” 필름을 형성할 수 있다. 예를 들면, 필름은 체인 클립에 의해 그의 측방향 에지들에서 클램핑되고 텐터 오븐(tenter oven) 내로 전달될 수 있다. 텐터 오븐에서, 필름이 재가열되고 그의 순방향 이동으로 분기된 체인 클립에 의해 원하는 연신 비율로 교차-기계 방향으로 연신될 수 있다.
도 1을 참조하면, 예를 들면, 단일 스크류 배향된 필름을 형성하기 위한 하나의 방법이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 전구체 필름(10a)은, 예를 들어 미국 로드 아일랜드 주 프로비던스의 마샬 앤드 윌리엄스사(Marshall and Willams, Co.)로부터 상업적으로 입수 가능한, 필름-배향 유닛(100) 또는 기계 방향 배향기(machine direction orienter; “MDO”)로 유도된다. MDO는, 도 1에 나타낸 바와 같은 공정을 통한 필름의 이동 방향인 기계 방향으로 필름을 점진적으로 신축시키고 얇게 하는 복수의 신축 롤(예를 들면 5개 내지 8개)을 갖는다. MDO(100)가 8개의 롤을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 롤의 수는 원하는 신축의 수준 및 각 롤 간의 신축의 정도에 따라 그보다 많거나 적을 수 있음이 이해되어야 한다. 필름은 단일 또는 다수의 별개 신축 동작으로 신축될 수 있다. MDO 장치의 롤들 중 일부는 점점 더 높은 속도로 작동하지 않을 수도 있다는 점에 주목하기 바란다. 필요에 따라, MDO(100)의 일부 롤은 예비 가열 롤로서 작용할 수 있다. 존재하는 경우, 이러한 처음 몇 개의 롤이 실온 위로 필름(10a)을 가열한다. MDO 내의 인접한 롤들의 점진적으로 빨라지는 속도는 필름(10a)을 신축시키는 역할을 한다. 신축 롤들이 회전하는 속도가 필름의 신축량 및 최종 필름 중량을 결정한다. 그런 다음, 생성된 필름(10b)이 권취(take-up) 롤(60) 상에 감겨서 보관될 수 있다. 여기서는 나타내지 않았지만, 당 기술분야에 공지된 다양한 부가적이고 잠재적인 가공 및/또는 마무리 단계, 예를 들어 슬리팅(slitting), 처리(treating), 천공, 그래픽 인쇄, 또는 다른 층(예를 들면, 부직포 웹 물질)과 필름의 적층이 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않고서 수행될 수 있다.
III. 적층체
반드시 필요한 것은 아니지만, 섬유상 웹 (예, 부직포 웹), 기타 필름, 발포체, 스트랜드와 같은, 본 발명의 나노복합체 필름에 추가 물질을 적층하는 것이 소정의 경우에 바람직할 수도 있다. 부직포 웹 물질을 형성하는 데에 사용하기 위한 예시적인 중합체는, 예를 들면, 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 등; 폴리테트라플루오로에틸렌; 폴리에스테르, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등; 폴리비닐 아세테이트; 폴리비닐 클로라이드 아세테이트; 폴리비닐 부티랄; 아크릴 수지, 예를 들어 폴리아크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등; 폴리아미드, 예를 들어 나일론; 폴리비닐 클로라이드; 폴리비닐리덴 클로라이드; 폴리스티렌; 폴리비닐 알코올; 폴리우레탄; 폴리락트산; 그들의 공중합체 등을 포함할 수 있다. 필요에 따라, 상술한 것들과 같은 재생 가능한 중합체들이 또한 사용될 수 있다. 셀룰로오스 에스테르; 셀룰로오스 에테르; 셀룰로오스 니트레이트; 셀룰로오스 아세테이트; 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트; 에틸 셀룰로오스; 재생 셀룰로오스, 예를 들어 비스코스(viscose), 레이온(rayon) 등을 포함하지만 이들에 한정되지 않는, 합성 또는 천연 셀룰로오스 중합체가 또한 사용될 수 있다. 중합체(들)는 또한 다른 첨가제, 예를 들어 섬유에 바람직한 특성을 부여하는 공정 보조제 또는 처리 조성물, 잔량의 용매, 안료 또는 착색제 등을 포함할 수 있음을 유의해야 한다. 필요에 따라, 적층체를 형성하는 데에 사용되는 부직포 웹 외장재는 다층 구조를 가질 수 있다. 적절한 다층 물질은, 예를 들면 스펀본드/멜트블로운/스펀본드(SMS) 적층체 및 스펀본드/멜트블로운(SM) 적층체를 포함할 수 있다. SMS 적층체의 다양한 예가 미국 특허 제4,041,203호(Brock , 등); 제5,213,881호(Timmons , 등); 제5,464,688호(Timmons , 등); 제4,374,888호(Bornslaeger); 제5,169,706호(Collier 등); 및 제4,766,029호(Brock, 등)에 기재되어 있다. 부직포 외장재의 평량은, 일반적으로 가변될 수 있는데, 예를 들어, 약 5gsm 내지 120gsm일 수 있고, 일부 실시예들에서는, 약 10gsm 내지 약 70gsm일 수 있고, 일부 실시예들에서는, 약 15gsm 내지 약 35gsm일 수 있다. 복수의 부직포 웹 물질의 경우, 이러한 물질은 동일하거나 상이한 평량을 가질 수도 있다.
IV. 적용 분야
본 발명의 필름은 식품 제품, 종이 제품(예, 티슈, 와이프, 종이 타올 등), 흡수 용품 등과 같은 다양한 용품의 이용을 위한 개별 랩, 포장 파우치, 번들 필름 또는 백 등의 포장 필름으로 사용하기에 특히 적합하다. 흡수 용품을 위한 다양한 적절한 파우치, 랩, 또는 백 구성이 예를 들면, 미국 특허 제6,716,203호( Sorebo 등) 및 제6,380,445호(Moder 등) 뿐만 아니라 미국 특허 출원 공개번호 제2003/0116462호(Sorebo 등)에 개시된다.
본 발명은 다음의 실시예를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
시험 방법
기계적 특성:
실질적으로 ASTM 표준 D638-99에 따라 스트립 인장 강도 값들을 결정하였다. 정속 인장형 시험기를 채택하였다. 인장 시험 시스템은 MTS Synergie 200 인장 프레임이었다. 인장 시험기는 시험을 지원하도록 MTS Corporation의 TESTWORKS 4.08B 소프트웨어를 구비하였다. 부하 셀은 100 뉴톤이었다. 필름 샘플들을, 시험 전에, 초기에 중심 폭이 3.0mm인 개 뼈 형상으로 절단하였다. 샘플들을 25.4mm x 76mm로 측정되는 전후방 면을 갖는 그립들 사이에서 보유 지지하였다. 그립 면들을 고무 처리하고, 그립의 긴 측 치수는 당김 방향에 수직하였다. 그립 압력은 40psi의 압력에서 공기압으로 유지되었다. 18.0mm의 게이지 길이 및 40%의 파단 감도를 사용하여 인장 시험을 개시하였다. 기계 방향을 따라 시험 부하를 가함으로써 5개의 샘플을 시험하고, 교차 방향을 따라 시험 부하를 가함으로써 5개의 샘플을 시험하였다. 시험 동안, 샘플들을 파단이 발생할 때까지 약 127mm/분의 크로스헤드 속도에서 신축시켰다. 기계 방향(“MD”) 및/또는 교차-기계 방향(“CD”)으로의 필름의 피크 신장율(peak elongation)이다.
소음 수준:
필름 샘플들의 소음 수준을 시험 챔버, 제어 챔버, 및 소음계로 이루어진 장치에서 시험하였다. 상기 장치의 목적은 제어된 소음 환경에서 용품을 다루고, 샘플의 움직임에 의해 생성된 소음을 정확히 정량화하는 것이다. 일반적인 관점에서, 샘플은 시험 장치 내부에서 물리적으로 변형되어 소음 수준을 발생시킨다. 본원에서 사용되는 바와 같이, “소음 수준”은, 다음의 수식에 따라 결정되는 바와 같이 시평균 소음 수준(dB 단위로 표현됨)인 등가 연속 소음 수준(“LEQ” 또는 “LAT”이라 지칭됨)을 지칭한다:
Figure 112016083341505-pct00004
p 0 은 참조 압력 수준(통상적으로 20 μPa)이고;
p A 는 취득된 음압이고;
t는 시간이고;
t 1 은 측정 개시 시간이고;
t 2 는 측정 종료 시간이다.
이 값은 또한 IEC 61672-1(2013)에 기재되어 있다.
시험 장치가 도 7 내지 도 9에 도시되어 있다. 시험 장치(200)는 시험 챔버(201) 및 제어 챔버(202)를 포함한다. 시험 챔버(201)는 문(203), 상부 벽(204), 하부 벽(205), 2개의 측벽(206, 207), 및 후방 벽(208)을 포함한다. 문 및 각 벽은 0.25인치(0.635cm) 두께의 6061 등급의 양극 산화된 알루미늄으로 구성된다. 문(203) 및 후방 벽(208)은 각각 높이가 36인치(91.4cm)이고 폭이 24인치(61.0cm)이다. 시험 챔버 측벽들(206 및 207)은 각각 높이가 36인치(91.4cm)이고 폭이 18인치(45.7cm)이다. 시험 챔버 상부 및 하부 패널은 각각 폭이 24인치(61.0cm)이고 길이가 18인치(45.7cm)이다. 문(203) 및 각 벽(204-208)의 내부 표면에는, SONEX라는 브랜드명과 SOC-2라는 소켓 번호로 Illbruck Inc.로부터 입수가능한, 2인치 두께의 폴리우레탄 소음-약화(sound-dampening) 발포체(209)가 적용된다. 나타낸 바와 같이, 소음계 지지부(216)가 마이크로폰 오리피스(217) 바로 아래의 측벽(206)으로부터 외측으로 수직하게 연장된다. 마이크로폰 오리피스(217)는 하부 벽(205)의 바닥 위 14.5cm에 위치하고 있고, 또한 문(203)과 후방 벽(208) 사이의 중심에 있다. 소음계 지지부(216)는 알루미늄으로 구성되고 측벽(206)에 볼트 체결된다(도시하지 않음). 제어 챔버(202)는 전방 벽(230), 2개의 측벽(231 및 232), 상부 벽(233), 및 하부 벽(234)을 포함한다. 각 벽은 0.125인치(0.3175cm) 두께의 6061 등급의 양극 산화된 알루미늄으로 구성된다. 전방 벽(230)은 높이가 36인치(91.4cm)이고 폭이 24인치(61.0cm)이다. 제어 챔버 측벽들(231 및 232)은 각각 높이가 36인치(91.4cm)이고 폭이 12인치(30.5cm)이다. 제어 챔버 상부 및 하부 벽(233 및 234)은 각각 폭이 24인치(61.0cm)이고 길이가 12인치(30.5cm)이다. 제어 챔버(202)는 솔기(270)(도 8)를 따라 후방 벽(208)의 외부 표면에 볼트 체결된다(도시하지 않음). 제어 챔버(202)의 후방 벽(208), 전방 벽(230), 2개의 측벽(231 및 232), 상부 벽(233), 및 하부 벽(234)은 각각 Small Parts, Inc.로부터 입수가능한, 0.600인치(1.524cm) 두께의 방음 물질, 즉 부품 번호 NYC-600BE로 코팅된다. 시험 장치(200)는 모델 OB-100 옥타브 필터 세트가 장착된 소음계(220)(도 9), 예를 들어 모델 1900을 더 포함하고, 이들은 미국 위스콘신주 오코노왁에 사무소를 둔 회사인 Quest Technologies로부터 입수가능하다. 소음계는 모델 QC-20 교정기 및 QuestSuite 마스터 모듈 소프트웨어에 의해 지원받으며, 이들도 Quest Technologies로부터 입수가능하다. 상기 소프트웨어는 개인용 컴퓨터(도시하지 않음) 상에 설치된다. 시험 장치의 동작 동안, 소음계(220)는 소음계 지지부(216) 내에 놓인다. 소음계는 이로부터 4.75인치(12cm) 연장되는 마이크로폰(221)을 포함한다.
필요한 수단은 아니지만, 상기 장치는 시험 동안에 샘플을 자동적으로 변형시키기 위한 특징부를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 장치는, 하부 벽(205)으로부터 시험 챔버(201) 내로 연장되는, Velmex, Inc.로부터 입수가능한 6인치(15.24cm) 높이의 Series A1500 Model인 하부 슬라이드 브래킷(210), 및 이 하부 슬라이드 브래킷(210)에 부착되는 하부 클램프(211)를 포함할 수 있다. 작은 구멍(212)(도 9)이 선택사항으로 상부 벽(204)으로부터 시험 챔버(201) 내로 연장될 수 있고, 선택사항인 밧줄(213)이 작은 구멍(212)을 통해 연장된다. 밧줄(213)의 일 말단이 시험 챔버(201) 내로 연장되고, 거기에 부착된 상부 클램프(214)를 갖는다. 밧줄(213)의 다른 말단이 5/8인치(16mm) 직경인 밧줄 오리피스(215)를 통해 제어 챔버(202) 내로 연장된다. 밧줄은 Johnson Worldwide Associates (JWA), Inc.에 의해 제조된 부품 번호 SB80G-300인 프리미엄-브레이드(premium-braid), 80-lb 시험 Spiderwire®일 수 있다.
시험 장치(200)를 사용하여 시편을 시험하기 전에 다음의 단계들이 수반된다:
1. 제조사의 매뉴얼 내의 지침에 따라 소음계(220)를 교정한다.
2. 측벽(206)에 90도 각도로 위치하는, 마이크로폰(221)의 전체 길이를 시험 챔버(201) 내에 삽입한다(이는 벽 및 소음 약화 물질 뒤로 대략 2.5인치(6.35cm) 연장되어야 한다). 소음계(220)가 소음계 지지부(216)에 놓일 수 있게 한다.
3. 제조사의 지침 매뉴얼에 따라 소음계를 활성화시킨다. 이는 시험 챔버(200)의 공동 내측의 주변 소음을 수집할 것이다.
4. 옥타브 필터를 2,000 또는 4,000Hz로 설정하고 시험이 완료될 때까지 소음계를 활성화시킴으로써 실시된 각 시험마다 판독을 행한다.
시험 장치(200)를 교정하고 주변 소음을 식별하면, 필름 샘플의 5개의 시편이 시험 장치 내부의 마이크로폰으로부터 대략 15 내지 20cm 물리적으로 변형될 수 있다.
실시예에서의 필름 샘플들을 다음과 같이 수동으로 변형시켰다:
1. 주로 사용하는 손을 손바닥이 위로 향하게 펴고;
2. 주로 사용하는 손의 손바닥 안에 필름 샘플을 놓고;
3. 부드럽게 주먹을 쥐어서 시험 시편을 압축하고;
4. 손을 신속하게 펴고 시험 시편을 방출하고;
5. 이를 4번 더 반복해서 5개의 필름 “구김”과 동일하게 한다.
물리적인 변형 방식에 상관 없이, 시험은 그 기간이 1 내지 2초 사이의 범위이었다. 모든 시험은 소음계를 시작해서 각각의 제품 조작을 완료하고, 그런 다음에 소음계를 정지시키는 것을 포함하였다. 챔버 문은 시험 동안에 개방 상태로 잔류할 수 있게 되어 있어 시험자의 팔과 손뿐만 아니라, 제품 조작 프로토콜들의 움직임도 수용하였다. 장치 외측의 주변 소음은 조용하였고 교정(주변 소음 수준을 측정하는 것을 포함함) 및 샘플의 시험 동안에 동일하였다.
대조예 1
HAAKE Rheomex® 252p 단일 스크류 압출기 및 6” 캐스트 필름 다이를 사용하여 필름 층을 Dowlex™ EG 2244G로부터 형성하였다. Dowlex™ EG 2244G는 190℃에서 1.0g/10분의 용융 흐름 지수를 갖는 선형 저밀도 폴리에틸렌이다(Dow Chemical). 스크류는 19.05mm의 직경 및 25의 L/D(L은 스크류 길이임)를 가졌다. 칠 롤(chill roll)을 사용하여, 캐스트 필름 다이로부터 빠져나갈 때 중합체를 냉각하고 평평하게 하였다. 스크류 속도는 25.4μm의 목표 두께를 위해 60rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 180℃, 180℃, 180℃, 180℃에 설정하였다. 압출기 상의 토크는 24 N-m이었고 다이에서 압력은 520 psi이었다.
대조예 2
목표 두께를 12.7μm로 하고 스크류 속도를 약 30 rpm로 한 것을 제외하고, 대조예 1에 기재한 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
대조예 3
HAAKE Rheomex® 252p 단일 스크류 압출기 및 6” 캐스트 필름 다이를 사용하여 필름 층을 DPDA-3320 N7로부터 형성하였다. DPDA-3320 N7는 190℃에서 2.0g/10분의 용융 흐름 지수를 갖는 고밀도 폴리에틸렌이다(Dow Chemical). 스크류는 19.05mm의 직경 및 25의 L/D(L은 스크류 길이임)를 가졌다. 칠 롤(chill roll)을 사용하여, 캐스트 필름 다이로부터 빠져나갈 때 중합체를 냉각하고 평평하게 하였다. 스크류 속도는 12.7μm의 목표 두께를 위해 40rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 170℃, 180℃, 185℃, 190℃에 설정하였다. 압출기 상의 토크는 20 N-m이었고 다이에서 압력은 493 psi이었다.
대조예 4
HAAKE Rheomex® 252p 단일 스크류 압출기 및 6” 캐스트 필름 다이를 사용하여 필름 층을 대조예 1에 기재한 바와 같이 Dowlex™ EG 2244G 80%, 및 DPDA-3320 N7 20%로부터 형성하였다. 스크류는 19.05mm의 직경 및 25의 L/D(L은 스크류 길이임)를 가졌다. 칠 롤(chill roll)을 사용하여, 캐스트 필름 다이로부터 빠져나갈 때 중합체를 냉각하고 평평하게 하였다. 스크류 속도는 12.7μm의 목표 두께를 위해 40rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 170℃, 180℃, 185℃, 190℃에 설정하였다. 압출기 상의 토크는 15 N-m이었고 다이에서 압력은 638 psi이었다.
실시예 1
제1 마스터배치 90중량% 및 제2 마스터배치 10중량%로부터 필름 층을 형성하였다. 제1 마스터배치는 Dowlex™ 2244G (LLDPE) 80중량% 및 DPDA-3320 N7 (HDPE) 20중량%를 건조 배합하여 형성하였으며 제2 마스터배치는 NanoMax™ LDPE (Nanocor, Inc.) 80중량% 및 NanoMax™ HDPE (Nanocor, Inc.) 20중량%를 건조 배합하여 형성하였다. NanoMax™ LDPE는 50중량% Nanomer™ 나노클레이 (사차 암모늄 표면 개질 몬트모릴로나이트), 30중량% LDPE, 및 20% 말레산 무수물 그래프트된 LDPE를 포함한다. NanoMax™ HDPE는 50중량% Nanomer™ 나노클레이 및 30중량% HDPE 및 말레산 무수물 그래프트된 HDPE를 포함한다. 상기 물질들을 두 개의 K-Tron 중량 피더를 통해 전달했으며 Werner & Pfleiderer (W&P) ZSK-30 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 함께 용융 배합하였다. 압출기는 14개의 가공 배럴 및 13개의 가열된 배럴을 가졌다. 3개 배럴은 개방된 배럴이다. 스크류의 외경은 30mm이고, 스크류의 내경은 21.3mm이었다. 스크류의 길이는 1328mm이고, 총 가공 구획 길이는 1338mm이었다. 구역들은 각각 171℃, 181℃, 188℃, 190℃, 191℃, 195℃, 200℃의 가공 온도를 가졌다. 용융 온도는 약 224℃, 압력은 약 260-290psi이었다. 트윈 스크류 압출기에서 배합 속도는 250rpm로 설정하였다.
형성되면, 배합물을 대조예 1에 기재된 바와 같이 HAAKE 단일 스크류 압출기를 사용하여 필름 층으로 형성하였다. 스크류 속도는 12.7μm의 목표 두께를 위해 35rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 190℃, 200℃, 200℃, 200℃에 설정하였다. 압출기 상의 토크는 12 N-m이었고 다이에서 압력은 406 psi이었다.
실시예 2
제1 마스터배치 90중량% 및 제2 마스터배치 10중량%로부터 필름 층을 형성하였다. 제1 마스터배치는 Dowlex™ 2244G (LLDPE) 60중량% 및 DPDA-3320 N7 (HDPE) 40중량%를 건조 배합하여 형성하였으며 제2 마스터배치는 NanoMax™ LDPE 60중량% 및 NanoMax™ HDPE 40중량%를 건조 배합하여 형성하였다. 상기 물질들을 두 개의 K-Tron 중량 피더를 통해 전달했으며 실시예 1에 기재된 바와 같이 Werner & Pfleiderer (W&P) ZSK-30 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 함께 용융 배합하였다. 구역들은 각각 166℃, 183℃, 191℃, 190℃, 191℃, 195℃, 201℃의 가공 온도를 가졌다. 용융 온도는 약 227℃, 압력은 약 220-340psi이었다. 트윈 스크류 압출기에서 배합 속도는 250rpm로 설정하였다. 형성되면, 배합물을 대조예 1에 기재된 바와 같이 HAAKE 단일 스크류 압출기를 사용하여 필름 층으로 형성하였다. 스크류 속도는 12.7μm의 목표 두께를 위해 33rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 190℃, 200℃, 200℃, 200℃에 설정하였다. 압출기 상의 토크는 14 N-m이었고 다이에서 압력은 406 psi이었다.
실시예 3
제1 마스터배치 90중량% 및 제2 마스터배치 10중량%로부터 필름 층을 형성하였다. 제1 마스터배치는 Dowlex™ 2244G (LLDPE) 40중량% 및 DPDA-3320 N7 (HDPE) 60중량%를 건조 배합하여 형성하였으며 제2 마스터배치는 NanoMax™ LDPE 40중량% 및 NanoMax™ HDPE 60중량%를 건조 배합하여 형성하였다. 상기 물질들을 두 개의 K-Tron 중량 피더를 통해 전달했으며 실시예 1에 기재된 바와 같이 Werner & Pfleiderer (W&P) ZSK-30 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 함께 용융 배합하였다. 구역들은 각각 169℃, 177℃, 191℃, 191℃, 190℃, 195℃, 200℃의 가공 온도를 가졌다. 용융 온도는 약 225℃, 압력은 약 280-320psi이었다. 트윈 스크류 압출기에서 배합 속도는 250rpm로 설정하였다. 형성되면, 배합물을 대조예 1에 기재된 바와 같이 HAAKE 단일 스크류 압출기를 사용하여 필름 층으로 형성하였다. 스크류 속도는 12.7μm의 목표 두께를 위해 35rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 190℃, 200℃, 200℃, 200℃에 설정하였다. 압출기 상의 토크는 16 N-m이었고 다이에서 압력은 435 psi이었다.
실시예 4
제1 마스터배치 90중량% 및 제2 마스터배치 10중량%로부터 필름 층을 형성하였다. 제1 마스터배치는 Dowlex™ 2244G (LLDPE) 20중량% 및 DPDA-3320 N7 (HDPE) 80중량%를 건조 배합하여 형성하였으며 제2 마스터배치는 NanoMax™ LDPE 20중량% 및 NanoMax™ HDPE 80중량%를 건조 배합하여 형성하였다. 상기 물질들을 두 개의 K-Tron 중량 피더를 통해 전달했으며 실시예 1에 기재된 바와 같이 Werner & Pfleiderer (W&P) ZSK-30 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 함께 용융 배합하였다. 구역들은 각각 170℃, 180℃, 190℃, 191℃, 190℃, 195℃, 200℃의 가공 온도를 가졌다. 용융 온도는 약 226℃, 압력은 약 280-320psi이었다. 트윈 스크류 압출기에서 배합 속도는 250rpm로 설정하였다. 형성되면, 배합물을 대조예 1에 기재된 바와 같이 HAAKE 단일 스크류 압출기를 사용하여 필름 층으로 형성하였다. 스크류 속도는 12.7μm의 목표 두께를 위해 35rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 190℃, 200℃, 200℃, 200℃에 설정하였다. 압출기 상의 토크는 16 N-m이었고 다이에서 압력은 420 psi이었다.
그런 다음 실시예 1-4의 필름 층들을 23 ± 2℃ 및 50±5% RH에서 밤새 컨디셔닝하고 상술한 바와 같이 기계 시험을 실시하였다. 결과가 아래 표 1에 보여지고 있다.
기계 특성
실시예 LLDPE (중량%) LDPE (중량%) HDPE (중량%) 중량 (LLDPE + LDPE) / HDPE 비 나노클레이 (중량%) 평균 피크 응력 (Mpa) 평균 피크 신장율 (%) 평균 탄성계수(MPa) 파단시 부피 당 평균 에너지(J/cm3)
MD CD MD CD MD CD MD CD
대조예 4 60 - 40 1.5 - 57 28 365 782 211 221 82 106
1 72 4 19 4.0 5 52 28 340 850 230 210 93 126
2 54 3 38 1.5 5 55 29 330 900 280 280 98 147
3 36 2 57 0.7 5 52 29 320 930 320 340 93 158
4 18 1 76 0.3 5 56 28 350 900 410 500 107 157
표시된 바와 같이, 기계 특성(예를 들어, 탄성계수)은 일반적으로 나노클레이의 포함으로 개선되었다.
실시예 5
아래 표 2에 반영된 바와 같이, 다양한 비율의 LLDPE (Dowlex™ EG 2244G) 및 나노클레이 마스터배치 (Nanocor Inc.로부터 입수가능한 Nanocor™)을 함유하는 배합물로부터 필름 층을 형성하였다. 나노클레이 마스터배치는 50중량% Nanomer™ 나노클레이 (사차 암모늄 표면 개질 몬트모릴로나이트)와 30중량% 저밀도 폴리에틸렌 및 20% 말레산 무수물 그래프트된 폴리에틸렌을 포함하였다. 배합물을 Werner & Pfleiderer (W&P) ZSK-30 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 형성하였다. 압출기는 14개의 가공 배럴 및 13개의 가열된 배럴을 가졌다. 3개 배럴은 개방된 배럴이다. 스크류의 외경은 30mm이고, 스크류의 내경은 21.3mm이었다. 스크류의 길이는 1328mm이고, 총 가공 구획 길이는 1338mm이었다. 구역들은 각각 170℃, 180℃, 190℃, 190℃, 190℃, 190℃, 180℃의 가공 온도를 가졌다. 용융 온도는 약 202℃, 압력은 약 60-80psi이었다. 트윈 스크류 압출기에서 배합 속도는 250rpm로 설정하였다.
형성되면, 배합물을 대조예 1에 기재된 바와 같이 HAAKE 단일 스크류 압출기를 사용하여 28μm의 목표 두께를 갖는 필름 층으로 형성하였다. 그런 다음 얻어진 샘플들을 23 ± 2℃ 및 50±5% RH에서 밤새 컨디셔닝하고 상술한 바와 같이 기계 시험을 실시하였다. 결과가 아래 표 2에 보여지고 있다.
실시예 5의 필름의 기계 특성
LLDPE (중량%) 나노클레이 마스터배치 (중량%) 평균 피크 응력 (Mpa) 평균 피크 신장율 (%) 평균 탄성계수(MPa) 파단시 부피 당 평균 에너지(J/cm3)
MD CD MD CD MD CD MD CD
대조예 1 100 - 36 26 544 759 61 55 76 87
실시예 5 96 4 41 31 625 859 116 115 99 111
90 10 40 34 591 903 128 143 105 140
84 16 40 33 581 873 165 154 112 138
표시된 바와 같이, 기계 특성(예를 들어, 피크 신장율)은 일반적으로 나노클레이의 포함으로 개선되었다. 기계 방향(MD)에서, 나노클레이의 양이 높을수록 나노클레이의 강성인 속성으로 인해 파단시 변형율이 다소 낮고 탄성계수가 높게 되었지만, MD 및 CD로의 신장율은, 피크 응력이 대략 동일했는데도, 나노클레이가 없는 대조군 필름보다도 여전히 높다.
실시예 5의 필름(10중량% 나노클레이 마스터배치)을 또한 X-선 회절 및 투과 전자 현미경을 사용하여 분석하였다. 그 결과가 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 약 7°의 각도에서 작은 피크만이 관찰되었고, 이는 나노클레이의 작은 부분만이 박리되지 않거나 분산되지 않은 상태로 남아 있는 것을 표시한다. 이는 또한 도 3에 나타낸 투과 전자 현미경 사진에 의해서도 입증된다. 즉, 도 3a는 나노클레이가 필름 내에 양호하게 분산되었음을 나타내고, 도 3b는 나노클레이가 단일 판상체(도 3b)로 박리되고 배향대로 분산되었음을 나타내고 있다. 소수의 나노클레이 클러스터도 원으로 표현한 바와 같이 필름 내에 보였다.
4중량%, 10중량%, 및 16중량%의 나노클레이 마스터배치를 함유하는 대조군 1 및 샘플들에 대하여 동적 유동학(Dynamic rheology) 시험도 수행하였다. 그 결과가 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 종단(저주파수) 구역에서, 순 LLDPE 용융은 통상의 액체 같은 양식 - 평활한 선형 관계(도 4에서 하부 곡선)를 나타낸 로그 저장 탄성률(G’) 대 로그 주파수(γ)를 보였다. 나노클레이 마스터배치를 함유하는 나머지 필름들은 순 LLDPE보다도 매우 높은 G’ 및 복소 점도(complex viscosity) (η*) 값을 나타냈을 뿐만 아니라, 대폭으로 상이한 종단 양식도 보였다. 주파수에 상관 없이, G’은 배합물들(도 4) 내의 나노클레이 함량을 증가시킴에 따라 단조롭게 증가하였다. 배합물들의 점탄성 반응은 주로 저주파수에서 변경되었고, 여기서 G’은 약한 주파수 의존성을 나타내었다(도 4). 10중량% 나노클레이 마스터배치(“90/10”으로 표지됨) 및 16중량% 마스터배치(“84/16”으로 표지됨)를 함유하는 필름들에서의 log(G’) 대 log(γ)의 작은 기울기는 상당한 의사 고체류(pseudo-solid-like) 양식의 용융을 표시한다. 이러한 결과는 이방성 충전제의 상호 연결된 망 구조체 - 특징적인 고체 또는 겔류 구조체가 시스템에서 형성된 것을 시사한다. 도 4로부터, 순 중합체에 대한 로그(G’) 대 로그(γ)의 기울기 감소는 10% 나노클레이 마스터배치(“90/10”)에서 현저하게 되어, 여과 임계값에 대한 나노클레이의 임계 함량을 시사함을 알 수 있다.
한편, 종단 구역에서, log(η*) 대 log(γ)의 작도는 순 LLDPE에 대한 뉴턴(주요)의 안정기(도 5에서 하부 곡선)로부터 배합물들에 대한 분명한 전단 박화(shear-thinning)로 변화되어, 나노클레이의 고체 망 구조체로 인해 탄성 양식의 더 많은 증거를 제공하였다. 여과된 스레드들의 의사 고체류 망 형성의 또 다른 증거가 도 6에도 도시되어 있고, 여기서 배합 필름들의 저장 탄성률(G’) 및 손실 탄성률(G”) 대 γ의 변화가 비교되어 있다. 낮은 나노클레이 함량(예를 들어, 4중량% 나노클레이, “96/4”)을 갖는 나노필름들은 전체 주파수 범위에 걸쳐서 G”보다도 낮은 G’을 나타내었다. 그러나, 망 구조체의 강화에 의해, 종단 구역에서는 G’이 의사 고체류 양식으로 인해 G”을 초과하였다. 더 높은 주파수에서는, G’ 및 G”의 교차 지점이 나타났는데, 이는 아마도 높은 전단 속도에서의 망 구조체의 파괴에 기인하였을 것이다. 예상대로, G’ 및 G”의 교차 지점은 10% 이상의 나노클레이 함량을 갖는 모든 해당 나노필름에서 관찰되었다. 교차 지점은, 도 6에서 청색 화살표에 의해 알 수 있는 바와 같이, 배합물들 내에 나노클레이가 많을수록 더 높은 주파수로 천이하였다고 언급할 가치가 있다.
실시예 6
목표 두께를 12.7μm로 한 것을 제외하고, 실시예 5에 기재한 바와 같이 필름을 형성하였다. 결과가 아래 표 3에 보여지고 있다.
실시예 6의 필름의 기계 특성
LLDPE (중량%) 나노클레이 마스터배치 (중량%) 평균 피크 응력 (Mpa) 평균 피크 신장율 (%) 평균 탄성계수(MPa) 파단시 부피 당 평균 에너지(J/cm3)
MD CD MD CD MD CD MD CD
대조예 2 100 - 35 26 391 818 103 39 53 75
실시예 6 96 4 37 29 452 809 137 129 68 91
90 10 44 28 404 852 185 133 80 97
84 16 41 24 435 810 146 144 82 84
78 22 61 25 351 765 245 200 119 106
72 28 51 22 294 631 291 233 88 80
66 34 52 19 254 540 396 250 88 67
표시된 바와 같이, 기계 특성(예를 들어, 피크 신장율)은 일반적으로 나노클레이의 포함으로 개선되었다. 기계 방향(MD)에서, 피크 응력이 대략 동일했는데도, 나노클레이의 양이 높을수록 나노클레이의 강성인 속성으로 인해 파단시 변형율이 다소 낮고 탄성계수가 높게 되었다.
실시예 7
96중량%의 Dowlex™ EG 2244G 및 4중량%의 Nanocor™ 마스터배치를 함유하는 배합물로부터 필름 층을 형성하였다. 스크류 속도를 150rpm로 한 것을 제외하고, 실시예 5에 기재한 바와 같이 배합물을 Werner & Pfleiderer (W&P) ZSK-30 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 형성하였다. 배합물을 대조예 1 및 2에 기재된 바와 같이 HAAKE 단일 스크류 압출기를 사용하여 27.94μm 및 12.7μm의 목표 두께를 갖는 필름 층으로 형성하였다. 그런 다음 얻어진 샘플들을 23 ± 2℃ 및 50±5% RH에서 밤새 컨디셔닝하고 상술한 바와 같이 기계 시험을 실시하였다. 결과가 아래 표 4에 보여지고 있다.
실시예 7의 필름의 기계 특성
두께
(μm)		 LLDPE (중량%) 나노클레이 마스터배치 (중량%) 평균 피크 응력 (Mpa) 평균 피크 신장율 (%) 평균 탄성계수(MPa) 파단시 부피 당 평균 에너지(J/cm3)
MD CD MD CD MD CD MD CD
대조예 1 27.94 100 - 36 26 544 759 61 55 76 87
대조예 2 12.70 100 - 35 26 391 818 103 39 53 75
실시예 7 27.94 96 4 41 33 641 912 121 120 98 127
12.70 96 4 41 29 473 815 154 122 72 99
실시예 8
93중량% Dowlex™ EG 2244G, 5중량% Nanomer™ 1.44P (사차 암모늄 표면 개질 몬트모릴로나이트), 및 DuPont에서 입수가능한 폴리에틸렌과 말레산 무수물의 그래프트 공중합체인, 2중량% Fusabond® MB-528D을 함유하는 배합물로부터 필름 층을 형성하였다. HAAKE 단일 스크류 압출기에서 필름 층을 형성하였다. 스크류는 19.05mm의 직경 및 25의 L/D(L은 스크류 길이임)를 가졌다. 칠 롤(chill roll)을 사용하여, 캐스트 필름 다이로부터 빠져나갈 때 중합체를 냉각하고 평평하게 하였다. 스크류 속도는 20rpm으로 유지하였다. 제1 가열 구역부터 다이 어댑터까지의 4개의 제어되는 온도 구역을 각각 180℃, 180℃, 180℃, 190℃에 설정하였다. 다이 압력은 19바였고 토크는 7N-m이었다.
실시예 9-15
다양한 필름을 실시예 8의 필름 및 하나 이상의 부가적인 필름 층으로 형성하였다. 추가적인 필름 층을 후술하는 물질 및 조건을 이용하여 HAAKE 단일 스크류 압출기에 형성하였다:
필름 물질 속도
(RPM)		 구역 1
(℃)		 구역 2
(℃)		 구역 3
(℃)		 다이 온도
(℃)		 다이 압력
(Bar)		 토크
(N·m)
A 100% Dowlex™ EG 2244G 20 180 180 180 190 27 17
B 100% M3661 20 180 180 180 190 15 7
C 100% DPDA-3220 N 7 20 180 180 180 190 24 12
D 100% Escorene™ Ultra LD 706.15 50 180 180 180 190 20 7
E 100% Vistamaxx™ 3980 10 180 180 180 190 11 5
M3661은 Total Petrochemicals USA (텍사스주 휴스턴)에서 입수가능한 폴리프로필렌이다. DPDA-3220 N 7은 190ºC에서 2.0g/10분의 용융 흐름을 가진 고밀도 폴리에틸렌이며, Dow Chemical Company (미시간주 미들랜드)로부터 입수가능하다. Escorene™ Ultra LD 706.15은 ExxonMobil (텍사스주 휴스턴)에서 입수가능한 에틸렌 비닐 아세테이트 ("EVA")이다. Vistamaxx™ 3980, ExxonMobil (텍사스주 휴스턴)에서 입수가능한 프로필렌계 탄성중합체.
필름을 15톤 유압 Carver 프레스를 사용하여 형성하였다. 프레스는 205°F로 설정된 플래튼을 가졌다. 체류 시간은 13,000 파운드 힘 하에서 2분이었다. 필름은 다음과 같은 구성을 가졌다:
실시예 제1 외부층 코어층 제2 외부층
9 필름 A 실시예 8의 필름 필름 A
10 필름 C 실시예 8의 필름 필름 C
11 필름 A 실시예 8의 필름 필름 C
12 필름 A - 실시예 4의 필름
13 실시예 4의 필름 필름 A 실시예 4의 필름
14 필름 D 실시예 8의 필름 필름 D
15 필름 E 실시예 8의 필름 필름 E
형성되면, 필름을 75°F/50% 상대 습도에서 컨디셔닝하였다. 24시간 컨디셔닝한 후, 필름을 컨디셔닝으로부터 제거하고, 상술한 바와 같이 기계 시험을 실시하였다. 결과가 아래 표 7에 보여지고 있다.
실시예 9-15의 필름의 기계 특성
실시예 두께
(mil)		 피크 응력
(MPa)		 피크 신장율 (%) 탄성계수
(MPa)		 파단시 부피당 에너지
(J/cm3)
9 MD 1.8 41 408 165 79
CD 2.1 14 428 332 46
10 MD 1.9 20 327 295 57
CD 1.3 5 65.6 46 3
11 MD 1.9 21 253 226 33
CD 1.9 9 445 272 36
12 MD 1.3 6 198 98 11
CD 1.4 5 66 46 3.0
13 MD 2.0 9 412 159 28
CD 2.1 6 122 149 14
14 MD 4.7 9 450 57 33
CD 5.1 8 429 61 28
15 MD 1.3 12 473 94 39
CD 1.2 13 494 859 32
실시예 16
90중량%의 Dowlex™ EG 2244G 및 10중량%의 나노클레이 마스터배치를 함유하는 배합물로부터 필름 층을 형성하였다. 나노클레이 마스터배치는 50중량% Clayton™ HY, 30중량% Dowlex EG2244G, 및 20중량% Fusabond® MB-528D의 배합물을 포함하였다. Clayton™ HY는 사차 암모늄 용액으로 처리한 유기점토 분말이며, BYK Additives, Inc. (텍사스주 곤잘레스)에서 입수가능하다. 나노클레이 마스터배치는 40:1의 L/ D 비를 갖는 Thermo Prism USALab16 동시 회전 트윈 스크류 미세압출기(Thermo Electron Corporation; 스톤, 잉글랜드)에서 형성하였다. LLDPE 및 Fusabond® 성분들은 펠릿 송급기를 통해 송급하고, Clayton™ HY 유기점토 분말을 분말 송급기를 사용하여 송급하였다. 10-구역 압출기를 따라 처리 온도는 각각 170℃, 180℃, 185℃, 180℃, 185℃, 185℃, 185℃, 185℃, 185℃, 및 180℃이었다. 용융 압력은 약 30psi이었으며 배합 속도는 100rpm이었다. 그 후 실시예 5에 기재된 바와 같이 LLDPE 및 나노클레이 마스터배치를 ZSK-30 트윈 스크류 압출기에서 배합하였다. 그 후 대조예 1에 기재된 바와 같이 필름 층을 HAAKE 단일 스크류 압출기를 사용하여 생성된 배합물로부터 제조하였다.
실시예 17
사용된 나노클레이가 Clayton™ HY 대신, Cloisite™ 15A라는 점을 제외하고, 실시예 16에 기재된 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
실시예 18
사용된 나노클레이가 Clayton™ HY 대신, Cloisite™ 30B라는 점을 제외하고, 실시예 16에 기재된 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
실시예 19
사용된 나노클레이가 Clayton™ HY 대신, Cloisite™ 93A라는 점을 제외하고, 실시예 16에 기재된 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
실시예 20
사용된 나노클레이가 Clayton™ HY 대신, Cloisite™ Na+라는 점을 제외하고, 실시예 16에 기재된 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
이 필름들을 75°F/50% 상대 습도에서 컨디셔닝하였다. 24시간 컨디셔닝한 후, 필름을 컨디셔닝으로부터 제거하고, 상술한 바와 같이 기계 시험을 실시하였다. 결과가 아래 표 8에 보여지고 있다.
실시예 16-20의 필름의 기계 특성
실시예 두께
(mil)		 피크 응력
(MPa)		 피크 신장율 (%) 탄성계수
(MPa)		 파단시 부피당 에너지
(J/cm3)
16 MD 1 60±2 543±4 184±13 144±3
CD 1 44±3 859±31 164±2 170±21
17 MD 1 52±6 541±67 147±12 122±21
CD 1 37±3 826±23 141±11 138±10
18 MD 1 31±2 407±19 105±9 54±3
CD 1 19±2 756±27 79±11 65±10
19 MD 1 55±2 504±15 178±9 121±8
CD 1 40±2 846±21 157±7 164±11
20 MD 1 20±1 246±20 68±5 26±2
CD 1 11±2 673±51 78±6 44±4
실시예 21
목표 두께를 12.7μm로 하고 스크류 속도를 약 30 rpm로 한 것을 제외하고, 실시예 16에 기재한 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
실시예 22
목표 두께를 12.7μm로 하고 스크류 속도를 약 30 rpm로 한 것을 제외하고, 실시예 17에 기재한 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
실시예 23
목표 두께를 12.7μm로 하고 스크류 속도를 약 30 rpm로 한 것을 제외하고, 실시예 18에 기재한 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
실시예 24
목표 두께를 12.7μm로 하고 스크류 속도를 약 30 rpm로 한 것을 제외하고, 실시예 19에 기재한 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
실시예 25
목표 두께를 12.7μm로 하고 스크류 속도를 약 30 rpm로 한 것을 제외하고, 실시예 20에 기재한 바와 같이 필름 층을 형성하였다.
이 필름들을 75°F/50% 상대 습도에서 컨디셔닝하였다. 24시간 컨디셔닝한 후, 필름을 컨디셔닝으로부터 제거하고, 상술한 바와 같이 기계 시험을 실시하였다. 결과가 아래 표 9에 보여지고 있다.
실시예 21-25의 필름의 기계 특성
실시예 두께
(mil)		 피크 응력
(MPa)		 피크 신장율 (%) 탄성계수
(MPa)		 파단시 부피당 에너지
(J/cm3)
21 MD 0.5 71±4 355±29 250±53 120±5
CD 0.5 38±2 832±16 178±11 156±6
22 MD 0.5 56±1 335±39 176±11 85±7
CD 0.5 28±2 790±35 146±19 99±11
23 MD 0.5 37±2 279±24 163±29 55±3
CD 0.5 23±0 737±18 158±9 94±1
24 MD 0.5 68±1 339±16 237±28 111±6
CD 0.5 35±2 824±38 179±21 152±12
25 MD 0.5 23±1 142±5 145±2 22±3
CD 0.5 7±1 538±29 129±9 26±1
대조예 5
Quanxing Plastics, Inc.에 의해 제조되는 시판 필름을 시험하였다. 필름은 18gsm의 평량을 가지고, 35 내지 45중량%의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE 5070), 20 내지 30중량%의 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE LD100AC), 25 내지 35중량%의 선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE 7050), 및 5 내지 10중량%의 이산화티탄 마스터배치 (1605H)를 포함하는 배합물로부터 주조 압출했다. 1 내지 5μm의 깊이를 갖는 미세 엠보싱 패턴을 필름의 표면에 형성하였다.
실시예 26
93.5중량% 폴리에틸렌 마스터배치, 4.5중량% Clayton™ HY, 및 DuPont에서 입수가능한 폴리에틸렌과 말레산 무수물의 그래프트 공중합체인 2중량% Fusabond® E-528을 함유하는 배합물로부터 필름을 형성하였다. 폴리에틸렌 마스터배치는 35 내지 45중량%의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE 5070), 20 내지 30중량%의 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE LD100AC), 25 내지 35중량%의 선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE 7050), 및 5 내지 10중량%의 이산화티탄 마스터배치 (1605H)를 포함하였다. Clayton™ HY는 사차 암모늄 용액으로 처리한 유기점토 분말이며, BYK Additives, Inc. (텍사스주 곤잘레스)에서 입수가능하다. 배합물을 Entek®에서 입수가능한 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 형성하였다. 압출기는 14개의 가공 배럴 및 13개의 가열된 배럴을 가졌다. 3개 배럴은 개방된 배럴이다. 스크류의 외경은 53mm이었다. 압출기를 따라 처리 온도는 175℃로 설정하였고 트윈 스크류에서 배합 속도는 700rpm로 설정하였다. 얻어진 스트랜드를 총 15 피트 길이로 수조에서 냉각시켰다. 이어서, 냉각된 가닥을 다음에 따르는 필름 가공을 위해 펠릿화하고 수집하였다.
그 후 필름을 단일 스크류 압출기를 이용하여 얻어진 배합물로부터 제조하였다. 압출기는 175-210℃에 이르는 온도를 갖는 7개의 가열된 배럴을 가지고, 8개 처리 배럴을 가졌다. 스크류 속도는 필요한 필름 두께에 따라 66.5 내지 68.6rpm 사이에서 조정하였다. 해당하는 라인 속도는 분당 85 내지 90m 사이에 조정하였다. 얻어진 필름은 13.5gsm의 평량을 가졌다. 1 내지 5μm의 깊이를 갖는 미세 엠보싱 패턴을 필름의 표면에 형성하였다.
실시예 27
5 내지 15μm의 깊이를 갖는 깊은 엠보싱 패턴을 표면에 형성한 것을 제외하고, 실시예 26에 기재한 바와 같이 필름을 형성하였다.
그런 다음 본원에 기재된 바와 같이 대조예 5, 실시예 26 및 실시예 27의 필름에 대해 소음 수준을 시험하였다. 시험된 필름은 직사각형이었고 13.5cm x 28.0cm의 크기를 가졌다. 그 결과를 아래 표 10에 나타낸다.
4,000Hz에서의 필름의 소음 수준
소음 수준 (dB) 정규화된 소음 수준
대조예 5 46.0 2.6
실시예 26 39.6 2.2
실시예 27 38.0 2.1
주변 17.7 -
상기에서 나타낸 바와 같이, 실시예 26 및 27의 필름은 대조예 샘플과 비교하여 소음 수준의 상당한 감소를 나타내었다.
실시예 28
취입 필름은 84.5중량% Dowlex™ EG 2047G, 4.5중량% Clayton™ HY, 2.0중량% Fusabond® E-528, 및 9.0중량% Ampacet® 110313 (색 첨가제, Ampacet Corporation)를 함유하는 배합물로부터 형성하였다. 배합물는 동시 회전 트윈 스크류 압출기를 사용하여 형성하였다. 압출기는 14개의 가공 배럴 및 210mm 길이를 갖는 13개의 가열된 배럴을 갖는다. 스크류의 외경은 53mm이었다. 압출기를 따라 처리 온도는 180℃로 설정하였고 트윈 스크류에서 배합 속도는 750rpm로 설정하였다. 폴리에틸렌은 한 펠릿 송급기를 통해 송급하고, Ampacet® 첨가제를 갖는 Fusabond®은 다른 펠릿 송급기를 통해 송급하고; 나노클레이는 분말 목구멍 송급기를 통해 송급하였다. 필름을 단층 취입 필름 다이를 가진 단일 스크류 압출기에서 형성하였다. 라인 속도는 시간당 175 파운드이고 필름의 두께는 1.5mil로 조절하였다. 용융 온도는 175-185℃의 범위로 제어하였다.
필름의 산소 투과율은 277cm3/in2*24 시간으로 측정하였다. 5중량% Ampacet®을 가진 95중량% Dowlex™ 2047G 만을 함유하는 대조예 샘플도 형성하였다. 대조예 필름 샘플의 산소 투과율은 392cm3/in2*24 시간으로 측정하였다.
본 발명을 본 발명의 특정 실시예들에 관하여 상세히 설명하였지만, 통상의 기술자라면, 전술한 바를 이해함에 따라, 이러한 실시예들에 대한 대체예, 변형예, 균등예를 쉽게 구상할 수 있다는 점을 알 것이다. 이에 따라, 본 발명의 범위는 청구범위 및 그 균등물로서 평가되어야 한다.

Claims (24)

  1. 50μm 이하의 두께를 갖는 포장 필름으로, 상기 필름은 외부층에 인접하여 위치되는 코어층을 함유하고, 여기서 상기 코어층, 상기 외부층, 또는 양쪽 모두는 중합체 조성물로부터 형성되고, 상기 중합체 조성물은 에틸렌 중합체 70중량% 내지 99중량%, 유기 표면 처리제를 갖는 나노클레이 0.1중량% 내지 20중량%, 및 올레핀 성분 및 극성 성분을 함유하는 폴리올레핀 상용화제 0.05중량% 내지 15중량%를 함유하며, 상기 유기 표면 처리제는 사차 오늄을 포함하는, 포장 필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에틸렌 중합체는 에틸렌과 α-올레핀의 공중합체를 포함하는, 포장 필름.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에틸렌 중합체는 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 포장 필름.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노클레이는 필로실리케이트를 포함하는, 포장 필름.
  5. 제4항에 있어서, 상기 필로실리케이트는 몬트모릴로나이트 또는 그 염을 포함하는, 포장 필름.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노클레이는 0.2 내지 100nm의 평균 두께를 가지는 판상체를 포함하는, 포장 필름.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 상용화제의 극성 성분은 말레산 무수물을 포함하는, 포장 필름.
  9. 제1항에 있어서, 상기 필름은 15%/μm 이상의 기계 방향으로의 정규화된 피크 신장율을 나타내는, 포장 필름.
  10. 제1항에 있어서, 상기 필름은 40%/μm 이상의 교차-기계 방향으로의 정규화된 피크 신장율을 나타내는, 포장 필름.
  11. 제1항에 있어서, 상기 필름은 0.5 내지 20MPa/μm의 기계 방향 및/또는 교차-기계 방향으로의 정규화된 궁극적인 인장 강도를 나타내는, 포장 필름.
  12. 제1항에 있어서, 상기 필름은 5 내지 50MPa/μm의 기계 방향 및/또는 교차-기계 방향으로의 정규화된 영의 탄성계수를 나타내는, 포장 필름.
  13. 제1항에 있어서, 상기 외부층은 상기 중합체 조성물을 함유하는, 포장 필름.
  14. 제13항에 있어서, 상기 에틸렌 중합체는 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌 공중합체, 또는 이들의 조합을 포함하는, 포장 필름.
  15. 제13항에 있어서, 상기 나노클레이는 상기 중합체 조성물의 0.1중량% 내지 15중량%를 구성하는, 포장 필름.
  16. 제1항에 있어서, 상기 코어층은 상기 중합체 조성물을 함유하는, 포장 필름.
  17. 제16항에 있어서, 상기 에틸렌 중합체는 고밀도 폴리에틸렌을 포함하는, 포장 필름.
  18. 제16항에 있어서, 상기 나노클레이는 상기 중합체 조성물의 0.5중량% 내지 20중량%를 구성하는, 포장 필름.
  19. 제16항에 있어서, 상기 중합체 조성물은 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 및 고밀도 폴리에틸렌의 배합물을 포함하는, 포장 필름.
  20. 제16항에 있어서, 고밀도 폴리에틸렌은 상기 중합체 조성물의 10중량% 내지 85중량%를 구성하는, 포장 필름.
  21. 제1항에 있어서, 상기 필름은 취입 필름인, 포장 필름.
  22. 제1항에 있어서, 상기 필름은 캐스트 필름인, 포장 필름.
  23. 제1항에 있어서, 상기 필름은 4,000Hz의 주파수에서 결정한 바, 2.5 이하의 정규화된 소음 수준을 나타내고, 여기서 상기 정규화된 소음 수준은 상기 필름의 소음 수준(dB)을 주변 환경의 소음 수준으로 나눔으로써 결정되는 것인, 포장 필름.
  24. 제1항에 있어서, 상기 필름은 350cm3/100in2*24 시간 이하의 산소 투과율을 나타내는, 포장 필름.
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